4. ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ (ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ)
Диаграммы фазового равновесия (диаграммы состояния) - это графическое изображение фазового состава сплава в условиях равновесия в зависимости оттемпературы и химического состава сплава.
ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ
Закономерности существования фаз в состоянии равновесия определяетправило фаз Гиббса
С= К – Ф + 1 (Р = const).
С– число степеней свободы (число внешних (Т0) и внутренних (состав) факторов, которые можно изменять, не меняя фазового равновесия); К – число компонентов; Ф – число фаз;
при К = 2, Ф = 3→ С = 0 – нонвариантное равновесие;
Ф = 2→ |
С = 1 |
|
моновариантное |
||
Ф = 1→ |
С = 2 |
равновесие |
|
|
|
Условие равновесия – минимум свободной энергии Гиббса
Сα , Сβ - составы равновесных фаз
Диаграммы состояния строят экспериментально по кривым охлаждения сплавов. На кривых охлаждения определяют критические точки – температуры перегиба или площадки на кривой, связанные с тепловым эффектом фазового превращения. По ним определяюттемпературу превращения.
20
ТИПЫ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ
Компонентынеограниченно растворяются как в жидком, так и в твердом состоянии.
А11В1 – линия Т0 начала кристаллизации
сплавов – ликвидус. А22В2 – линия Т0 конца
кристаллизации сплавов – солидус.
В структуре любого сплава этой системы - γ твердый раствор компонентов А и В друг в друге.
Схема микроструктуры γ твердого раствора
Компоненты ограниченно растворимыдруг в друге в твердом состоянии и кристаллизуются с образованием эвтектики.
α - ограниченный твердый раствор В в А. Предельная растворимость изменяется по линии СF.
β - ограниченный твердый раствор А в В. Предельная растворимость изменяется по линии DG.
При температуре tе и концентрации е/ обра-
зуется эвтектика –
смесь кристаллов двух фаз, одновременно кристаллизующихся из жидкости по эвтектической реакции.
Le |
→te α c + β Д . |
||
|
|
|
|
Схема структуры эвтектического сплава
Компоненты образуют друг с другом химическое соединение АmBn.
АmBn – устойчивое химическое соеди-
нение, образующееся при химическом составе сплава, кото-
рый отвечает точке Д/.
α - ограниченный твердый раствор В(А).
β - ограниченный твердый раствор А(В).
γ - ограниченный твердый раствор на базе решетки химического соединения
АmBn.
21
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
В данной системе структура формируется в результате перитектической реакции - выделившиеся из жидкости кристаллы α раствора взаимодействуют с жидкой фазой, образуя новую β фазу.
При температуре 11850С происходит перитектическая реакция
Lc + α a |
11850 C |
β b. |
|
|
→ |
||
α - твердый раствор на базе решетки Pt;
β - твердый раствор на базе решетки Ag.
Компоненты имеют полиморфное превращение – изменение типа кристаллической решетки при определенной температуре. Полиморфное превращение вызывает фазовые превращения в твердом состоянии.
а) б)
в)
а) полиморфное превращение
Аα ↔ Аβ ; Вα ↔ Вβ ; б) эвтектоидное– распадβ твердогораствора
β c |
T 0 |
|
d + α |
/ |
|
e |
α |
e . |
|||
→ |
|
||||
в) перитектоидное |
|
|
|||
γ p + |
β c |
T |
α k |
|
|
→p |
|
|
|||
22
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ИСВОЙСТВАСПЛАВОВ
Свойства сплавов зависят от их состава с максимум или минимум при составе спла-
ва 50 % Аи 50 % В.
Свойства меняются в зависимости от состава по кривой линии в области твердых растворов и по линейному закону в двухфазной области.
Свойства сплавов характеризуются наличием максимума при составе сплава, образующего химическое соединение.
Химический состав фаз любого сплава системы можно определить с помощью каноды, а их количество – по правилу рычага.
Правило рычага с – точка сплава; acd – канода;
b/ - состав жидкой фазы, L; a/ - состав твердой фазы, α ;
QL – ac/ad 100% - количе-
ство жидкости, %;
Qα = cd/ab 100 % - количе-
ство α фазы, %.
23
ВОПРОСЫ ИЗАДАЧИПО ТЕМЕ
1. Что представляют из себя диаграммы состояния, почему их называют равновесными?
2.Что такое компонентсплава?
3.Что такое кривая охлаждения; критическая точка, что она показывает?
4.Что такое эвтектика, при каких условиях она образуется?
5.Что такое перитектическое превращение?
6.Какие линии диаграммы носят название ликвидус и солидус, линии предель-
ной растворимости?
7.Как повлияет на твердость сплава появление в его структуре химического соединения?
8.Что такое эвтектоид, каковы условия его образования?
9.Что такое полиморфное превращение, как оно представлено на диаграммах состояния?
10.Как зависитизменение свойств сплавов оттипа диаграмм состояния?
ЗАДАЧИ
Задача № 1 На рис. 5 представлена диаграмма состояния двух компонентов, кристал-
лизующихся с образованием эвтектики. Расставить фазы и определить структу-
ру сплавов при Т0ком. Зарисовать структуру сплавов при Т0ком. (сплавы 20 % В, 50 % В, 80 % В).
Рис.5
Задача № 2 Для сплава 1 (рис. 5) подсчитать количество фаз и структурных состав-
ляющих при температуре tе.
24
Задача № 3
Определите фазы в сплавах, строение которых показано на рис. 6.
Рис. 6
Задача № 4
Как изменится химический состав фаз в процессе кристаллизации сплава 1 (рис. 7)?
Рис. 7
Задача № 5
Постройте кривую охлаждения сплава 1 (рис. 7) и проверьте ее по правилу фаз Гиббса. Объясните полученные значения числа степеней свободы на разных этапах охлаждения.
25
5. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕМЕТАЛЛОВ
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил либо внешних, либо возникающими при различных физи- ко-механических процессах, проходящих в самом теле. Отношение силы, действующей на тело, к некоторой площадке F называется напряжением. Единица механического напряжения – 1 мегапаскаль – 1 МПа = 106 Па (1 кгс/мм2 ≈
10 МПа).
ВИДЫ НАПРЯЖЕНИЙ
|
|
Нормальные и |
|
Временные |
на- |
||
|
|
касательные |
|
пряжения – обу- |
|||
|
|
|
|
|
словленные |
дей- |
|
|
|
|
|
|
ствием |
внешней |
|
|
|
|
|
|
нагрузки |
и исче- |
|
|
|
|
|
|
зающие после ее |
||
|
|
|
|
|
снятия. |
|
|
|
|
|
|
|
Остаточные |
|
|
|
|
|
|
|
внутренние |
на- |
|
|
|
|
|
|
пряжения – воз- |
||
|
|
|
|
|
никают и уравно- |
||
|
|
|
|
|
вешиваются |
|
|
|
|
|
|
|
внутри тела |
без |
|
|
|
|
|
|
внешней |
нагруз- |
|
σ |
- |
|
|
|
ки. |
|
|
нормальные напряже- |
|
|
|||||
ния: растягивающие (по- |
|
|
|
|
|||
ложительные) и сжима- |
|
|
|
|
|||
ющие (отрицательные); |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||||
τ |
- |
касательные напряже- |
|
|
|
|
|
ния. |
|
|
|
|
|
|
|
Тепловые (термические) напряжения –
возникают при быстром нагреве или охлаждении тела из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев.
Структурные (фазовые) напряжения –
возникающие при кристаллизации, деформации или неоднородном протекании фазовых превращений по объему тела.
Наличие в образце (изделии) концентраторов напряжений – надрезов, трещин, отверстий, металлургических и технологических дефектов - приводитк резкому увеличению напряжений в месте дефекта.
Эпюры растягивающих на- 
пряжений при различных концентраторах напряжений:
σ н – среднее напряжение; σ к – максимальное напряжение.
26
напряжения вызывают деформацию металла
ДЕФОРМАЦИЯ
Упругая – влияние ее на свойства, форму, структуру, размер тела устраняется после снятия нагрузки.
Пластическая – не устраняется после снятия нагрузки, меняя форму, размер, структуру, свойства тела.
Пластическая деформация как в моно- , так и в поликристаллах осуществляется за счетскольжения и двойникования.
Скольжение – сдвиг одной части кристалла относительно другой по плоскостям и направлениям с наиболее плотным расположением атомов.
а) б)
а – до деформации;
б – после деформации.
Осуществляется за счет движения дислокаций, смещается небольшая группа атомов на расстояние меньше межатомного. Пробег многих дислокаций
приводитк макросдвигу.
Двойникование – деформация в решетке ОЦК, ГЦК, ГПУ. Происходит переориентация части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части (зеркальное отражение).
Схема двойникования (стрелками показано направление сил)
АВСД – полоса двойникования. Наблюдается при больших степенях деформации, может появиться при вибрации, при ударе во время падения.
В поликристалле процессы скольжения и двойникования идут в каждом зерне. Переход дислокаций из одного зерна в другое невозможен. Передача деформации отзерна к зерну происходитэстафетным путем.
27
Пластическая деформация вызываетизменение структуры и свойств поликристаллического металла
Число дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий и др.) возрастает. Плотность дефектов ≈ 1012 (1/см-2). При больших степенях деформации (≈ 80 %) – явление наклепа – увеличение прочности и резкое снижение способности к пластическому деформированию (снижение пластичности).
(степеньдеформацииε:
ε = |
Fн − Fк |
100%, где Fн – Fк – |
|
||
|
Fн |
|
площадь сечения до и после деформации).
Повышение плотности дислокаций и др. дефектов затрудняют движение отдельных новых дислокаций и увеличивает сопротивление деформации, уменьшая пластичность и повышая прочность. Напряжение сдвига растет пропорционально плотности дислокаций.
При пластическом деформировании кристаллы меняют свою форму – зерна вытягиваются в направлении приложения силы, образуя волокнистую структуру.
а)
б)
Структура металла
а – до деформации; б – после деформации.
28
РАЗРУШЕНИЕ
Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящих к разделению его на части.
Зарождение трещин.
Происходит путем образования микротрещин в местах скопления движущихся дислокаций перед препятствием (границы зерен, микропоры, неметаллические включения и т.д.).
Распространение (развитие) трещин.
Происходит по-разному при вязком и хрупком разрушении металла.
С точки зрения микроструктуры – транскристаллитное и интеркристаллитное разрушение. Транскристаллитное – по телу зерна, интеркристаллитное – по границам.
Вязкое разрушение – трещина |
|
Хрупкое разрушение – трещина неста- |
||
стабильна (l<lкр), величина |
|
бильна, если ее длина l>lкр, растет само- |
||
пластической деформации в |
|
произвольно, вершина сохраняет остро- |
||
устье трещины велика, сама |
|
ту, соизмеримую (по размеру) с атомны- |
||
трещина имеет тупую верши- |
|
ми размерами. Величина пластической |
||
ну. Скорость распространения |
|
деформации в устье трещины мала. Ско- |
||
трещины мала. Разрушение |
|
рость распространения трещины ~ 2500 |
||
постепенное. Излом – мато- |
|
м/с, разрушение внезапное, межзеренное, |
||
вый, волокнистый, транскри- |
|
интеркристаллитное. |
||
сталлитный. |
|
Излом – светлый, кристаллический, име- |
||
|
|
|
етблестящие плоские участки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Одни и те же сплавы в зависимости от условий обработки могут иметь вязкое и хрупкое разрушение.
Металлы с ОЦК и ГПУ решеткой с понижением Т0 имеют переход от вязкого к хрупкому разрушению – явление хладноломкости. Температура перехода (Т50) – температурный
порог хладноломкости.
29
ВОПРОСЫ ИЗАДАЧИПО ТЕМЕ
1. Что такое упругая и пластическая деформация?
2.Как протекаетпластическая деформация в монокристалле? Вполикристалле?
3.Как влияетстепень деформации на структуру и свойства металла?
4.Что такое наклеп и как объяснить упрочнение металла в процессе деформации?
5.При каких технологических процессах производят пластическое деформирование металла?
6.Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?
7.Механизм образования и роста трещины при разрушении.
8.Каковы особенности вязкого и хрупкого разрушения металла?
9.Каковы особенности вязкого и хрупкого изломов металла?
10. Что такое хладноломкость, у каких материалов можно наблюдать это явление?
Задача № 1 При получении стального листа толщиной 1,5 мм холодной прокаткой
значительно повысилась твердость. Объясните причину этого явления.
Задача № 2
Полосы свинца были прокатаны при 200С с ε = 20, 30, 40, 60 %. Будутли отличаться свойства этих полос? Ответобосновать.
Задача № 3 Детали, изготовленные из прутков меди 25 мм, должны иметь НВ 300
Мпа. На заводе имеются лишь прутки 40 мм и НВ 220 Мпа. Укажите, как можно использовать имеющиеся прутки для изготовления деталей с заданными свойствами.
Задача № 4 Детали из низкоуглеродистой стали после холодной штамповки в разных
сечениях имели разную твердость (от 1000 до 16000 Мпа). До штамповки сталь имела твердость 900 Мпа. Объясните неодинаковость свойств по сечению детали.
Задача № 5 Образец высотой 20 мм был осажен до 15 мм. Рассчитать степень дефор-
мации ε .
30
6. МЕХАНИЧЕСКИЕСВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных механических сил (нагрузок). Механические свойства определяются при механических испытаниях по специально разработанным методам.
Механические испытания
Статические испытания – на рас-
тяжения, сжатие, твердость, изгиб, кручение при статическом нагружении. Статические нагрузки приложены постоянно или плавно возрастают. Основные статические испытания – на растяжение (ГОСТ 1497-84) на разрывных машинах с построением диаграммы (кривой) растяжения. Эти испытания опре-
деляют свойства прочности |
- σ пц, |
σ 0,2, σ в и пластичности δ , ψ |
мате- |
риала. |
|
Динамические испытания – на ударный изгиб при динамическом нагружении. Динамическая нагрузка – ударная, возрастает резко с большой скоростью. Динамические нагрузки чаще всего являются причиной хрупкого разрушения материала. Испытания проводят на приборе – маятниковом копре (ГОСТ 9454-78) на специальных образцах с надрезом. Надрез является концентратором напряжений. Определяется ударная вязкость КС.
Усталостные испытания при знакопе- |
|
Другие виды испытаний: |
|
ременном (циклическом) напряжении. |
|
- испытания на жаро- |
|
Знакопеременные нагрузки – много- |
|
прочность; |
|
кратные прикладываемые, изменяю- |
|
- технологические испы- |
|
щиеся по величине и направлению. При |
|
тания на изгиб, осадку, |
|
этом развивается явление, которое но- |
|
перегиб, выдавливание |
|
сит название усталости металла – по- |
|
(для определения спо- |
|
степенное |
накопление повреждений |
|
собности металла к пла- |
(трещин), приводящих к разрушению. |
|
стическому деформиро- |
|
Испытания |
проводят методом изгиба |
|
ванию. |
при вращении (ГОСТ 25.502-79). |
|
|
|
|
|
|
|
31
СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Испытания на растяжение – определение характеристик прочности и пластичности.
Диаграмма (кривая) растяжения (кривая 1 – условные, 2 – истинные напряжения)
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ оп-
ределяются по кривой растяжения.
σ пц = Рпц/Fo – предел пропорциональности, максимальные напря-
жения, при которых выполняется закон Гука.
σ 0,2 = Р0,2/Fo – условный предел текучести, характеризует сопротив-
ление малым пластическим деформациям.
σ в = Рв/Fo – временное сопротивление, соответствующее максимальной нагрузке.
Точка В – начало образования шейки на образце при растяжении.
Разрушение наступит в точке С, при резком уменьшении поперечного сечения образца.
Sk = Pk/Fk – истинное сопротивление разрыву (напряжения при разрушении).
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ определяютсяпоразмерам образца до и после испытаний.
относительное удлинение: |
δ |
= (lк - lн)/lн 100%; |
относительное сужение: |
ψ |
= (Fo – Fk)/Fo 100%, где |
lн и lк – длина образца до и после испытаний;
Fo и Fk – площадь поперечного сечения образца до и после испытаний.
32
испытания на твердость
Твердость – способность материала сопротивляться местной пластической деформации при внедрении в него другого, более твер-
дого материала (индентора).
МЕТОДЫОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
Твердость по Бринеллю |
НВ |
Твердость по Роквеллу HR (ГОСТ 9013- |
(ГОСТ 9012-59) – стальной ша- |
59). Индентором служит алмазный ко- |
|
рик диаметром D вдавливается |
нус с углом при вершине 1200 или ша- |
|
в испытываемый материал |
с |
рик из закаленной стали диаметром |
усилием Р. После снятия на- |
1,5875 мм. |
|
грузки на поверхности мате- |
|
|
риала остается лунка диамет- |
|
|
ром d. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сначала дается предварительная на- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
грузка |
для |
закрепления |
индентора |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р0 = 10 кгс, затем прикладывают основ- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ную нагрузку Р1 (при алмазном конусе |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р1 = 140 кгс, а при шарике – 90 кгс). |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общая нагрузка Р = Р0 + Р1. После сня- |
|||||||
|
|
НВ= |
|
2P |
|
|
2 МПа. |
||||||||||||
|
|
|
D |
2 |
− d |
|
тия основной |
нагрузки Р1, |
индикатор |
||||||||||
|
|
|
π D (D − |
|
|
|
|
|
прибора показываетединицы твердости. |
||||||||||
|
Испытывают |
материалы |
невы- |
|
|||||||||||||||
|
сокой твердости |
|
(НВ≤ |
450), |
|
При использовании алмазного конуса |
|||||||||||||
|
|
|
твердость НRC (черная шкала), а шари- |
||||||||||||||||
|
размер отпечатка замеряют лу- |
|
ка HRB |
(красная шкала) в |
условных |
||||||||||||||
|
пой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
единицах. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Твердость |
|
по |
|
Виккерсу |
(HV) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
(ГОСТ 2999-75) |
для замера твердо- |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
сти очень твердых материалов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Индентор – четырехгранная пира- |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
мида с углом между гранями 1360С. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
HV = 1,854 Р/d2, где Р – нагрузка; d – |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
среднее арифметическое диагоналей |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
отпечатка. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
33
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Испытания на ударную вязкость.
Ударная вязкость – работа, затраченная на ударное разрушение образца
Испытания проводят на маятниковом ко- |
Образцы для испытаний – |
пре, вес маятника G. |
стержни 55х10х10 мм с надре- |
|
зом, который специально на- |
|
несен для определения склон- |
|
ности материала к концентра- |
|
торам напряжений (три типа |
|
U, V, T). |
|
1- маятник; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
2 – образец; |
|
|
|
|
|
3 – шкала; |
|
|
|
|
h1 – высота подъема маятника; |
|
|
|
||
h2 – высотаподъемамаятникапослеудара. |
|
|
|
||
Энергия, |
затрачиваемая на деформацию |
|
|
|
|
|
Образец при испытании |
||||
и разрушение образца – работа удара К. |
|
||||
При испытании указывается |
|||||
К = G(h1 |
– h2) или К = G l(cos α -cos β ), |
||||
где α и β |
- углы подъема маятника. |
тип образца КU, KV, KT. |
|||
Ударная вязкость КС = К/Fо, где К – работа удара;
Fо – площадь образца.
Взависимости оттипа образца определяютКСU, KCV, KCT.
34
ИСПЫТАНИЯ НАУСТАЛОСТЬ
Разрушение материала в условиях циклически повторяющихся напряжений (знакопеременные или изменяющиеся по величине нагрузки) называется усталостью (выносливостью) образца.
Испытания на усталость (ГОСТ
25.502-79)проводят на специальных машинах, позволяющих получить повторно-переменные напряжения – изгиб при вращении при консольном нагружении.
1 – образец, 2 – шпиндель,
3 – подшипник.
Схема изменения напряжений при испытании
Сопротивление металла циклическому нагружению характеризуется
пределом выносливости (усталости)
σ -1, т.е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за заданное число циклов N (цикл – однократная смена
напряжений σ min/σ max = -1). |
строят |
|
По результатам испытаний |
||
кривую усталостивкоординатах σ |
-N. |
|
|
|
|
Горизонтальный участок кривой, когда напряжения не меняются при бесконечно большом числе циклов, соответствует пределу выносливо-
сти σ -1.
Разрушение от усталости происходит внезапно, трещина образуется, как правило, на поверхности изделия и постепенно развивается вглубь, поэтому очень важно состояние поверхности изделия – любые ее дефекты являются концентраторами напряжений и облегчают образование усталостной трещины.
Между пределом выносливости и пределом прочности существует определенная связь. Для сталей σ -1/σ в ≈ 0,5, для медных сплавов – 0,3-0,5, для алюминиевых 0,25 – 0,4.
35
ВОПРОСЫ ИЗАДАЧИПО ТЕМЕ
1. Что такое механические свойства материалов?
2.Какие виды нагружения вы знаете, в чем их отличие?
3.Что такое статические испытания, какие свойства можно определить этим
видом испытаний? Вчем разница в понятиях σ т и σ 0,2?
4.Что такое ударная вязкость КСU, как определить эту характеристику?
5.Какие свойства металла можно определить при усталостных испытаниях?
6.Что такое твердость материала?
7.Какие виды испытаний на твердость вы знаете?
8.Что такое KCU, KCV, KCT материала?
9.Как проводятся испытания на твердость по Бринеллю?
10. Что такое – HRA, HRB, и HRC?
Задача № 1 При испытании на выносливость были изучены два образца – шлифован-
ный и полированный. Какой из образцов имел более высокий предел выносливости и почему?
Задача № 2
У одного и того же материала были определены значения KCU, KCV и KCT. Какое из значений было самым высоким и почему?
Задача № 3 Необходимо замерить твердость у образцов из мягкого алюминиевого
сплава и твердой закаленной стали. Какие методы замера твердости должны быть рекомендованы для этого и почему?
Задача № 4 Для вновь созданного металлического сплава необходимо определить ха-
рактеристики прочности и пластичности. Какой метод испытаний вы рекомендуете и как проводится определение этих свойств?
36
7. ВЛИЯНИЕНАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА
Деформированный металл из-за повышенной плотности несовершенств является термодинамически неустойчивым. При нагреве такого металла проходят процессы, приводящие к стабилизации системы и возвращению всех свойств к свойствам металла до деформации – процессы возврата и рекристал-
лизации.
Нагрев на Т0 < 0,1 – 0,2 Тпл – возврат. Это уменьшение дефектов строения без заметного изменения структуры и свойств.
Первая стадия возврата (отдых) – все изменения на уровне тонкой (внутризеренной) структуры без изменения формы и размеров зерен.
Проходит уменьшение вакансий и плотности дислокаций, аннигиляция дислокаций. Несколько увеличивается пластичность, уменьшается электросопротивление.
Полигонизация – образование субзерен (полигонов) с мало условными границами – дислокации разных знаков аннигилируют, а избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стенки и образуют в пределах кристалла субграницы, ограничивающие объемы (субзерна), свободные отдислокаций.
|
|
а) |
б) |
до полигонизации |
полигонизация |
Дальнейший нагрев приводит к процессу рекристаллизации – образование и рост новых равноосных зерен с меньшим количеством дефектов, чем в волокнистой структуре деформированного металла.
Температура начала рекристаллизации
tн.р. = 0,1 – 0,2 Тпл – чистые металлы;
tн.р. = 0,4 Тпл – технически чистые металлы; tн.р. = 0,5 – 0,6 Тпл – сплавы.
37
РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Первичная |
рекристаллизация |
Собирательная рекристаллизация – |
||
(рекристаллизация обработки) – |
рост одних рекристаллизованных зерен |
|||
полная |
замена |
волокнистой |
за счет других. Основная причина рос- |
|
структуры |
|
деформированного |
та – снижение протяженности границ. |
|
металла на равноосные зерна. |
Вторичная рекристаллизация – пред- |
|||
Резко снижается плотность дис- |
почтительный рост отдельных новых |
|||
локаций, наклеп снимается пол- |
зерен и формирование разнозернисто- |
|||
ностью, растет пластичность, |
сти. |
|||
снижается прочность. |
|
|||
|
|
|
в) |
г) |
|
|
|
||
а) |
|
б) |
в – собирательная, г – вторичная |
|
а – начало |
|
б – конец |
рекристаллизация |
|
первичной рекристаллизации |
|
|
||
Процесс рекристаллизации и размер рекристаллизованного зерна влияютна свойства деформированного металла.
Размер рекристаллизованного зерна d зависит от температуры нагрева и степени деформации (диаграмма рекристаллизации).
tп.р. – температурный порог рек- |
|
|
|
|
ристаллизации; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1 – начало собирательной рекри- |
Чем меньше зерно, тем выше проч- |
|||
сталлизации. |
ность и вязкость металла. |
|||
38
ВОПРОСЫ ИЗАДАЧИПО ТЕМЕ
1. Что происходитс деформированным металлом при нагреве?
2.Что такое возврат и как меняется структура и свойства деформированного металла при возврате?
3.Что такое рекристаллизация:
-первичная;
-собирательная;
-вторичная?
4.Как и почему меняется структура и свойства при рекристаллизации?
5.Откаких факторов зависиттемпература рекристаллизации?
6.Чем определяется размер зерна пластически деформированного металла по-
сле рекристаллизации?
7. Как влияетразмер рекристаллизованного зерна на свойства?
Задача № 1 В деталях из алюминия, изготовленных штамповкой, в некоторых сече-
ниях после рекристаллизованного отжига получилось очень крупное зерно. Чем можно объяснить это явление?
Задача № 2 Определите температуру рекристаллизационного отжига латуни, если
температура плавления ее 9800С.
Задача № 3 Образцы железа после холодной деформации на 80 % нагревались до
температуры 300, 500, 600, 650, 7000С. Укажите, при какой Т0 произойдет резкое падение твердости и укажите причину этого явления (Тпл железа – 15390С).
Задача № 4 При изготовлении волочением стальной проволоки ее пластичность ока-
залась очень низкой. Каким образом можно увеличить ее пластичность, укажите причину и режимы обработки.
Задача № 5 Зубчатое колесо из стали 45 получено горячей штамповкой (Т0 конца
штамповки ~ 8000С). Объясните, почему в данном случае при деформации не произошло увеличение твердости (наклепа).
39