- •Теоретический курс
- •Раздел 1. Металловедение.
- •1.1. Общая характеристика металлов.
- •1.1.1. История познания металлов человеком
- •1.1.2. Кристаллическое строение
- •1.1.3. Типы кристаллических решеток
- •1.1.4. Анизотропия свойств кристаллов
- •1.1.5. Полиморфизм в металлах
- •1.1.6. Строение реальных кристаллов
- •Вопросы для самопроверки
- •2.2. Кристаллизация металлов
- •2.2.1. Теоретические основы
- •1.2.2. Механизм процесса кристаллизации
- •1.2.3. Основные явления кристаллизации слитков. Влияние формы кристаллов на служебные характеристики металла
- •Вопросы для самопроверки
- •1.3. Основы теории сплавов.
- •1.3.1. Внутреннее строение и свойства механических смесей, твердых растворов и химических соединений
- •1.3.2. Диаграммы состояния сплавов. Их типы и построение
- •Вопросы для самопроверки
- •1.4. Железоуглеродистые сплавы.
- •1.4.1. Железо
- •1.4.2. Углерод
- •1.4.3. Структурные составляющие системы железо-углерод
- •1.4.4. Диаграмма состояния железо – цементит (метастабильное равновесие)
- •Вопросы для самопроверки
- •1.5. Термическая обработка стали
- •1.5.1. Основы технологии термической обработки
- •1.5.2. Основные параметры процессов термической обработки
- •1.5.3. Основные виды термической обработки
- •1.5.4. Основные превращения в сталях в процессах термообработки
- •1.5.5. Химико-термическая обработка стали. Общая характеристика процессов
- •1.5.6. Термомеханическая обработка (тмо)
- •Вопросы для самопроверки
- •1.6. Физические основы пластичности и прочности металлов
- •1.6.1. Виды деформации
- •1.6.2. Механические свойства металлов
- •1.6.3. Влияние дефектов кристаллической решетки на прочность металла
- •1.6.4. Методы исследования строения, структуры и свойств металлов
- •Вопросы для самопроверки
- •1.7. Влияние температуры на структуру и свойства металлов
- •1.7.1. Диффузия ядер в металлах
- •1.7.2. Влияние повышения температуры на механические свойства
- •1.7.3. Возврат и рекристаллизация деформированного металла при нагреве
- •1.7.4. Сфероидизация и графитизация цементита в сталях
- •Вопросы для самопроверки
- •1.8. Углеродистые и легированные стали
- •1.8.1. Условия эксплуатации и требования к сплавам
- •1.8.2. Структура и основные свойства сталей
- •1.8.3. Принципы классификации и маркировки сталей
- •1.8.4. Конструкционные стали
- •1.8.5. Инструментальные стали
- •1.8.6. Легированные стали в энергетике
- •Вопросы для самопроверки
- •1.9. Чугуны
- •1.9.1. Классификация чугунов
- •1.9.2. Серые чугуны
- •1.9.3. Высокопрочные чугуны
- •1.9.4. Ковкие чугуны
- •1.9.5. Специальные чугуны
- •1.9.6. Маркировка чугунов
- •Вопросы для самопроверки
- •1.10. Сплавы на основе железа с различными металлами
- •Вопросы для самопроверки:
1.6. Физические основы пластичности и прочности металлов
1.6.1. Виды деформации
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил (напряжений, т. е. растяжения, сжатия, фазовые превращения, усадка и другие физико-химические процессы, связанные с трансформацией объема).Деформация может быть упругой и пластической (остаточной). Упругой (обратимой) называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняется после прекращения действия внешних сил. Она не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла, а приводит только к незначительному относительному и обратимому смещению ядерных остовов в решетке, вновь прерывающемуся после снятия напряжения. Величина таких отклонений не превышает расстояния между соседними атомами.
Пластической именуют деформацию, остающуюся после прекращения воздействия наружных факторов на металл. При ней структура и свойства металлов изменяются необратимо. Кроме того, пластическая деформация сопровождается дроблением крупных зерен на более мелкие, а при значительных ее степенях также регистрируется заметное изменение их формы и расположение в пространстве, причем между зернами возникают пустоты. Она осуществляется путем относительного сдвига ядер в новые положения устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные в кристаллической решетке. Скольжение происходит по плоскостям (направлениям) с наиболее плотной упаковкой атомов. Эти направления зависят от типа кристаллической решетки. У -железа, вольфрама, молибдена и других металлов с объемноцентрированной кубической решеткой существует шесть плоскостей сдвига и в каждой из них по два направления смещения, и так называемая система скольжения состоит из 6·2 = 12 элементов сдвига. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой (-железо, медь, алюминий и др.) имеют четыре плоскости с тремя направлениями смещения в каждой, т. е. они также обладают 4·3 = 12 элементами сдвига. У цинка, магния и других металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой существуют одна плоскость с тремя направлениями и три элемента скольжения. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла.
Катионы в узлах решетки находятся в равновесном состоянии и обладают минимальной внутренней энергией. Смещение ядер на один параметр решетки называется преодолением энергетического барьера. Для этого необходимо приложение сил или давления (теор). Оно должно быть очень большим. В реальных металлах пластическая деформация происходит при напряжениях в сотни и тысячи раз меньше теоретического. Расхождение между теоретическим и реальным сопротивлением сдвигу, т. е. теоретической и реальной прочностью при деформации, объясняется дислокационным механизмом.
По современным представлениям пластическая деформация осуществляется под действием внешних сил в результате последовательного перемещения небольшого числа катионов в области дислокации или иначе трансформации дислокаций.
Скольжение или сдвиг по определенным кристаллографическим плоскостям является основным, но не единственным механизмом пластической деформации. В некоторых случаях она может осуществляться двойникованием, сущность которого заключается в том, что под действием приложенных сил одна часть решетки оказывается смещенной относительно другой, занимая симметричное положение и являясь как бы ее зеркальным отражением. По современным представлениям, двойникование связано с движением дислокаций.
Зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им деформацией характеризует механические свойства металлов (рис. 1.57). Наклон прямой ОА показывает жесткость. Тангенс ее угла (tg) пропорционален модулю упругости. Различают два его вида. Модуль нормальной упругости – Юнга (G) =tg, и касательной упругости – Гука (E).
Рис. 1.57 - Диаграмма истинных напряжений при деформации металлов
Возможность металлов значительно деформироваться называется «сверхпластичностью». В общем случае сверхпластичность – это способность металлов к повышенной равномерной деформации без упрочнения. Существует несколько ее разновидностей. Наиболее же перспективна структурная сверхпластичность. Она проявляется при температурах выше половины значения температуры плавления металлов с величиной размера зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации 10-5- 10-1с-1. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Данное явление в промышленности применяют главным образом при объемной изотермической штамповке. Недостатком ее является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформации. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации пластичность металла не уменьшается и не происходит локальных изменений формы и размеров материала. Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала – это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации.