- •Тема 1. Атомно-кристаллическое строение металлов
- •Энергия межатомной связи и свойства металлов
- •911 1392 -Fe -Fe -Fe (-Fe).
- •Тема 2. Деформация, разрушение и механические свойства металлов Упругая и пластическая деформация. Пути повышения прочности
- •Наклеп и рекристаллизация
- •Холодная и горячая деформация
- •Механические свойства металлов
- •Тема 3. Основы теории сплавов. Диаграммы состояния
- •Практическое значение диаграмм состояния
- •Тема 4. Диаграмма состояния железо–цементит
- •Критические точки
- •Тема 5. Превращения в сталях при нагреве и охлаждении
- •Тема 6. Основные виды термической обработки сталей
- •Тема 7. Основы легирования сталей
- •Особенности термической обработки легированных сталей
911 1392 -Fe -Fe -Fe (-Fe).
Аллотропические формы железа, как и других металлов, обозначают буквами греческого алфавита. Кривая охлаждения для железа приведена на рис. 1.
Следует отметить, что все кристаллические тела не обладают идеальной кристаллической структурой, а содержат различного рода «дефекты» –несовершенства структуры (вакансии, межузельные атомы, дислокации, границы зерен), возникающие в результате смещения или удаления атомов со своих мест в решетке. Если бы все реальные материалы имели совершенную структуру, они не обладали бы пластичностью и не поддавались обработке, необходимой для изготовления деталей. Термообработка и улучшение свойств сталей основаны не только на изменении структуры, но и на сопутствующих им изменениях несовершенств. Наиболее важным видом несовершенств, опреде-ляющим механические свойства металлов, являются дислокации (рис. 2).
Так, любая пластическая деформация является результатом движения и одновременного генерирования дислокаций. У отожженных металлов плот-ность дислокаций, то есть суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема, равна 106…107 см-2. Дислокации, как и другие несовершенства кристаллического строения, появляются в металлах при кристаллизации.
Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры. Затвердевание происхо-дит путем образования центров кристаллизации (зародышей) и их роста. Пока кристаллы растут свободно, они имеют правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как прекращается рост отдельных граней, и образуются кристаллиты, или зерна (рис. 3).
Форма и размер зерен зависят от условий их роста: скорости и направле-ния отвода тепла, температуры жидкого металла и др. Типичная структура слитка металла состоит из трех зон: мелких равноосных кристаллов на поверх-ности слитка, зоны столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы, и равноосных кристаллов больших размеров в середине слитка. Применяя различные технологические приемы, можно изменять количественное соотношение зон.
При сверхвысоких (более 106 градс) скоростях охлаждения из жидкого или парообразного состояния образование зародышей и рост кристаллов подавляется. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура, свойства которой значительно отличаются от свойств того же материала с кристаллической структурой. Многие аморфные материалы удачно сочетают высокую прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, а также имеют особые физические свойства (большое удельное электросопротивление, малая коэрцитивная сила и т. д.).
Тема 2. Деформация, разрушение и механические свойства металлов Упругая и пластическая деформация. Пути повышения прочности
Напряжения любого вида вызывают деформацию тела, то есть изменение его формы и размеров. С увеличением напряжения деформация увеличивается. Когда способность тела деформироваться исчерпывается, то происходит его разрушение. Способность материала сопротивляться деформации и разруше-нию называется прочностью.
Деформация может быть упругой и пластической (рис. 4). Упругая деформация существует только во время приложения нагрузки и полностью исчезает после ее снятия. Механизм упругой деформации состоит в изменении расстояния между атомами в направлении действующей силы. Пластической деформацией называется изменение формы и размеров тела, сохраняющееся после снятия нагрузки. Основным механизмом пластической деформации является сдвиг атомов.
Если сдвиг происходит в идеальной кристаллической решетке, то для его осуществления требуется разорвать связи между всеми атомами в плоскости сдвига. В этом случае напряжение сдвига (теоретическую прочность) можно рассчитать по формуле: S = G / 2 0,16G, где G – модуль сдвига.
Действительно, экспериментально определенные значения прочности металлических «усов» (монокристаллические нити, практически не содержа-щие дефектов кристаллического строения) близки к расчетным. Однако прочность реальных металлов в сотни и тысячи раз меньше. Такое различие теоретической и экспериментально определяемой прочности металлов объясняется несовершенством их кристаллического строения. При наличии множества дислокаций сдвиг одной части кристалла относительно другой не сопровождается разрывом межатомных связей, а происходит путем движения (скольжения) дислокаций. Гипотеза об участии дислокаций в пластической деформации кристаллов была выдвинута в середине 30-х годов и лишь через 15…20 лет (после создания трансмиссионного электронного микроскопа) подтверждена экспериментально. Механизм пластической деформации, основанный на скольжении дислокаций, может быть сопоставлен
с перемещением по полу ковра, на котором специально сделана складка (рис. 5).
Перемещение складки, требующее сравнительно небольших усилий, приводит к перемещению всего ковра в том же направлении. Функцию складки в металлических кристаллах выполняют дислокации. Перемещение дислокации на одно межатомное расстояние происходит без разрыва атомных связей и требует лишь небольшого смещения атомов вблизи ядра дислокации (на расстояние меньше межатомного).
Таким образом, пластичность металлов (возможность сдвига) обусловлена наличием в них дислокаций и зависит от подвижности последних. В пластичных металлах дислокации легко подвижны. Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению. Движение дислокаций затрудняют границы зерен и субзерен, упругие искажения кристаллической решетки (например, при растворении инородных атомов), дисперсные включения (частицы второй фазы), а также другие дислокации. Зная механизм пластической деформации и факторы, влияющие на подвижность дислокаций, можно предвидеть поведение металлов при различных внешних воздействиях и разрабатывать способы управления свойствами. Так, большинство применяемых на практике способов упрочнения металлов и их сплавов основано на увеличении плотности дислокаций. Чем больше механизмов торможения дислокаций реализовано в одном материале, тем выше будет его прочность. В настоящее время рекордный уровень прочности (В = 5000 Н/мм2) получен на патентированной проволоке из стали У9А.