Наклёп, возврат, рекристаллизация
В результате деформации зёрна выстраиваются (вытягиваются) в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие св-в по различным направлениям в металле. Выше св-ва в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).
При холодной пластической деформации прочностные характеристики (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как характеристики пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.
Упрочнение металлов при холодной пластической деформации обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.
Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.
Пластическая деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.
Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).
В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.
После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.
После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.
При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.
Наклёп, возврат и рекристаллизация.
Наклёп
Наклёп – это совокупность структурных изменений и связанных с ними свойств при холодной пластичной деформации.
В результате деформации зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие свойств по различным направлениям в металле. Выше свойства в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).
При холодной пластической деформации прочностные характеристики (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как характеристики пластичности (относит.удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.
Упрочнение металлов при холодной пластической деформации обусловленаувелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.
Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.
Пластическаядеф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.
Возврат.
Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).
В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальныйхар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-сяхаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.
После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.
Рекристаллизация.
После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.
При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-сяразнозёренностьстр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.
Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-сярекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.
От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механическиесв-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-киесв-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить.
11. Химические соединения, твердые растворы, механические смеси.
Фаза – однородная часть системы отграниченная поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно.
В зависимости от характера компонентов, в сплаве могут образоваться хим. соединения, твердые растворы, механические смеси.
Хим. соединения образуются при строго определенном количественном соотношении атомов. Для хим. соединения характерным является то, что кристаллическая решетка его отличается от кристаллической решетки сплавляемых компонентов. Если хим. соединение образуют металлы, то его называют интерметаллидом.
Они образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента. Это твердые растворы замещения. Бывают твердые растворы внедрения, твердые растворы вычитания.
Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.
1) Основной металл, атомы в котором замещаются, называется растворителем.
2) Растворенный компонент.
Для того, чтобы получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необходимо выполнение трех условий:
а) Кристаллические решетки обоих компонентов являются изоморфными (однотипными)
б) Разница в атомных радиусах не должна превышать 14 или 15 %
в) Сплавляемие компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.
Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента.
Твердые растворы внедрения.
Твердые растворы внедрения образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворызамещения.
Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.
Некоторые компоненты при сплавлении не взаимодействуют с образованием хим. соединений или твердых растворов. Они образуют механические смеси. Механические смеси отличаются от хим. соединений и твердых растворов тем, что в них сохраняются типы решеток характерных для сплавляемых компонентов.
12. Построение диаграмм состояния двойных систем
Диаграммы состояния двойных сплавов.
Диаграмма состояния представляет собой графическое отображение состояния сплава в зависимости от температуры, давления и концентрации. Диаграмма есть наглядное отображение устойчивых фаз при комнатнойтемпературе. Мера устойчивости фаз определяется законом Гиббса или правилом фаз. Правило фаз устанавливает связь между числом степеней свободы, числом фаз и компонентов. Под числомстепенейсвободы понимают число внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.
С учетом правила фаз, как объясняющего процесс кристаллизации, кристаллизацию металлов, которая протекает при постоянной температуре можно объяснить следующим образом:
Для двухкомпонентных систем, которые мы будем рассматривать в случае с=0 процесс будет происходить при постоянной температуре, при с=1 или с=2 с изменением температуры по времени.
Диаграмма состояния для двух компонентной системы образует механическую смесь. Диаграмма состояния строятся в координатах температур (ось ординат) и концетрация компонентов (ось абсцисс).
13. Диаграмма состояния для двухкомпонентной системы, образующая механическую смесь.
Диаграммы состояния строятся в координатах t-оси ординат и концентрация компонентов – ось абсцисс. Линия АДВ – линия ликвидус.а представляет собой геометрическое место точек соответствующих температурам, при которых из жидкости начинают выпадать кристаллы, следовательно выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии. Линия СДЕ называется солидус. Она представляет собой геометрическое место точек, соответствующих температурам, при которых жидкая фаза исчезает, следовательно ниже линии солидус сплав находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в жидко- твердом состоянии, и чем ниже температура относительно линии ликвидус, тем больше кристаллов и меньше жидкой фазы в сплаве. В точке Д из жидкости одновременно начинают выпадать кристаллы компонентов (фаз). Для диаграмм этого типа компонент и фаза являются синонимами. Для диаграмм другого типа необходимо говорить только о фазах, поскольку компонент и фаза не являются синонимами. Механическая смесь, состоящая из двух или более фаз, одновременно кристаллизующаяся в жидкости называется эвтептикой. Ниже точки Д на диаграмме структура представляет собой чисто эвтептической.
Посредством правила отрезков можно определить состав фаз в любой двухфазной области и количественное их соотношение. Правило отрезков состоит из двух частей. Первая часть: для того чтобы определить состав фаз через заданную точку в двухфазной области (точка соответствует конкретной температуре) проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекция точек пересечения на ось концентрации даст нам состав фаз. Вторая часть: для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.
Правило фаз действует только в двухфазной области.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Наклеп, возврат и рекристаллизация
Теоретическая и техническая прочность
Теоретически прочность железа должна составлять 130000 МПа, а фактически она равна 250 МПа. Это связано с тем, что деформация осуществляется не одновременным смещением плоскостей атомов, а постепенным перемещением дислокаций. В результате своей трансформации она выходит на поверхность кристалла и исчезает. При ограниченной плотности искажений кристаллической решетки сдвиг происходит тем легче, чем больше дислокаций в объеме металла. Они могут воздействовать друг на друга, вызывая взаимное уничтожение себя самих. Чем выше плотность дислокаций, тем больше затруднено их движение. В результате требуется приложение большей нагрузки, что вызывает упрочнение металла. Увеличение стойкости можно вызвать наклепом, термической и термомеханической обработкой.
Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.
Упрочняющее или ослабляющее действие дефектов кристаллической решетки зависит от их количества. Существует два пути упрочнения металлических материалов:
1) Создание идеальных бездефектных кристаллов (левая ветвь графика – теоретическая)
2) Увеличение плотности дислокаций (правая ветвь) – практически реализуемая прочность..
2.Пластическая деформация металлов.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяют на упругие и пластические.
Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения ионов металлов от положений равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями катионов металла. В основе пластических деформаций лежат необратимые смещения ионов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. При пластической деформации линейная связь между напряжением и деформацией обычно отсутствует. Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью.
Результатом пластического деформирования является смещение одной части кристалла относительно другой. Пластическая деформация твердых тел в основном осуществляется скольжением. Скольжение или смещение отдельных частей кристалла совершается под действием касательных напряжений. Оно осуществляется в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Металлы, имеющие большое количество таких плоскостей и направлений (с кубической кристаллической решеткой), являются наиболее пластичными. Кристаллическая решетка ГПУ обладает низкими пластическими свойствами.
Расчетные и экспериментальные значения по касательным напряжениям, отвечающим началу пластической деформации твердого тела, значительно расходятся. При этом исходят из предпосылки, что процесс скольжения осуществляется одновременным смещением всех атомов одной кристаллографической плоскости относительно атомов смежной, параллельной плоскости.
Предположение о смещении только группы атомов данной плоскости получило экспериментальное подтверждение. Пластическая деформация осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Для перемещения дислокации из положения 1 в положение 2 требуется лишь незначительное перемещение отдельных атомов. Так дислокация пройдет всю плоскость скольжения и выйдет на поверхность зерна в виде ступеньки.
Рис.2 Механизм пластической деформации.
Процесс пластической деформации металлов сопровождается ростом числа дефектов кристаллической решетки, искривлениями плоскостей скольжения, появлением обломков кристаллитов в плоскостях скольжения, структурными превращениями по плоскостям скольжения и другие. Все это препятствует перемещению дислокаций, способствует их накоплению и взаимодействием друг с другом. В результате металл упрочняется. Явление деформационного упрочнения металла под действием пластической деформации называется наклепом. Упрочнение сопровождается снижением пластичности металла. Чем больше степень пластической деформации, тем выше прочность и ниже пластичность. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой.
При больших степенях деформации зерна металла вытягиваются в направлении действия приложенных сил. При этом образуется волокнистая структура. Еще большая степень деформации приводит к возникновению текстуры деформации, которая характеризуется определенной ориентацией зерен по отношению к прилагаемым нагрузкам. Волокнистая структура и текстура деформации приводят к анизотропии.
В полигонизованном состоянии кристалл обладает меньшей энергией по сравнению с деформированным, поэтому образование полигонов является энергетически выгодным процессом. Скорость его зависит от природы металла, степени предшествующей деформации, содержания примесей и т. д.
По правилу А.А.Бочвара при температуре нагрева около 0,4 температуры плавления в металле происходит процесс рекристаллизации, при котором почти полностью снимается наклеп.
Вследствие тепловой активности атомов образуются новые равноосные зерна. Процесс рекристаллизации протекает в две стадии: первичную и собирательную.
Первичная рекристаллизация заключается в формировании зародышей с неискаженной кристаллической решеткой и их взрослении. Количество зерен постепенно увеличивается и, в конечном итоге, в структуре не остается старых деформированных. Движущей силой данного процесса является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Находящийся в неустойчивом состоянии деформированный металл стремится перейти в более устойчивое положение с наименьшим запасом свободной энергии. Ему соответствует процесс создания все новых зерен с неискаженной решеткой.
Собирательная рекристаллизация – рост образовавшихся на первой стадии структурных единиц. Движущей силой ее является поверхностная энергия зерен. Увеличение их числа объясняется тем, что при наличии большой концентрации мелких составляющих их суммарная поверхность очень велика, и поэтому металл обладает большим запасом поверхностной энергии. В процессе укрупнения зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние. Особенность данного вида рекристаллизации заключается в том, что рост зерен осуществляется не в результате слияния нескольких мелких частиц в одну более крупную, а они увеличиваются за счет других, поглощая их вследствие трансформации атомов через границы раздела. Зерно на одном участке может вытягиваться за счет соседа, а на другом поглощаться другим, находящимся рядом с ним. Такая рекристаллизация может совершаться и до полного ее завершения.
Новые зерна обладают меньшей плотностью дислокаций, имеют неискаженную кристаллическую решетку. Поэтому после рекристаллизации свойства металла возвращаются к исходным свойствам. При рекристаллизации существенно снижаются прочностные характеристики, пластичность возрастает, снимаются внутренние напряжения.
Основными факторами, определяющими величину зерен при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной пластической деформации. Чем выше температура нагрева, тем больше размер зерна. Такой же характер имеет зависимость величины семян от времени процесса.
Наиболее крупные зерна формируются после незначительной предварительной деформации, составляющей около 3 – 15 %. Ее называют критической. Практически температура рекристаллизационного отжига малоуглеродистых сталей обычно лежит в интервалах 600 – 700 °С, латуней и бронз – 500 – 700 °С, алюминиевых и титановых сплавов – 350 – 450 и 550 – 750 °С соответственно.
4.Холодная и горячая деформация. Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. Процесс холодной деформации сопровождается наклепом металла, так как малые температуры не обеспечивают разупрочнения металлов. Механические свойства металлов при холодной деформации изменяются значительно: возрастает прочность и уменьшается пластичность.
Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей. Получаемое в процессе горячей деформации упрочнение тут же полностью или частично снимается за счет рекристаллизации, что снижает сопротивление деформации и повышает пластичность металлов.
Вопросы для самостоятельной работы. Деформация металлов – основные понятия, деформационное упрочнение и рекристаллизация металлов при нагреве.
Литература: Материаловедение. (Под общей ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина) 3-е изд. переработанное и дополненное. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.
5. Сверхпластичность.
Сверхпластичностью называют способность металлов и сплавов к значительной равномерной деформации, при которой относительное удлинение достигает сотен и тысяч процентов. Для того, чтобы сплавы приобрели сверхпластичность, необходимо получить ультрамелкозернистую структуру. Такое структурное состояние достигается путем соответствующей термической обработки. Используя эффект сверхпластичности можно при небольших усилиях осуществить большие деформации. При этом возможно использование оборудование меньшей мощности. Сверхпластичность позволяет проводить обработку давлением труднодеформируемых сплавов. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Недостатком ее является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформации
Вопросы для самостоятельной работы. Деформация металлов – основные понятия, деформационное упрочнение и рекристаллизация металлов при нагреве. Литература: Материаловедение. (Под общей ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина) 3-е изд. переработанное и дополненное. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.
Контрольные вопросы
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
