МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Стр 1 из 20Следующая ⇒

И.А. Хворова

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Часть 2

Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

УДК 620.22.(075.8)

ББК 30.36.я73

Х324

Хворова И.А.

Х324 Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие в 2-х ч. Часть 2 / И.А. Хворова; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 128 с.

Во второй части пособия изложены научные основы материаловедения, закономерности формирования структуры и свойств металлических и неметаллических конструкционных материалов. Показана взаимосвязь между структурой и свойствами материалов. Даны современные представления о механизме упрочнения и разупрочнения металлов и сплавов. Рассмотрены широко применяемые и перспективные сплавы черных и цветных металлов, в том числе жаропрочные и жаростойкие. Приводятся краткие сведения о полимерных, керамических и композиционных материалах.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» направления 140500 «Энергомашиностроение».

УДК 620.22.(075.8)

ББК 30.36.я73

Рецензенты

Доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник ИФПМ СО РАН
Е.Е. Дерюгин

Доктор физико-математических наук,

профессор кафедры физики ТГАСУ
Ю.П. Шаркеев

Лекция 1

Пластмассы

Пластмассы, или высокополимеры – это искусственные твердые материалы с большой молекулярной массой (свыше 10⁴ атомных единиц). Структурным элементом в пластмассах является макромолекула – линейное или разветвленное образование из большого числа молекул мономера, соединенных ковалентными связями: (–CH₂–CH₂–)_n.

В термопластичных пластмассах между макромолекулами действуют только относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса; в термореактивных полимерах линейные макромолекулы соединены поперечными ковалентными связями.

Макромолекулы в пластмассах способны образовывать упорядоченные пространственные структуры, или кристаллы, но полностью кристаллической пластмасса не становится, всегда присутствует какая-то доля неупорядоченной, аморфной структуры.

Пластмассы менее прочны, чем металлы и сплавы, имеют низкую теплостойкость, со временем теряют свои полезные свойства – стареют.

Примеры самых популярных полимерных материалов: полиэтилен, полистирол, фторопласт, текстолит, стеклопластики. Близки по строению к пластмассам другие полимерные материалы – резины.

Композиционные материалы

Надо отметить, что существуют материалы, называемые композитами, или композиционными материалами, которые нельзя причислить ни к одной из этих групп, так как они состоят из материалов разного происхождения. Композиты могут состоять из металла и керамики, из полимера и стекла. Такие материалы сочетают свойства исходных компонентов, а по некоторым свойствам превосходят их.

Требования к конструкционным материалам

К конструкционным материалам предъявляется комплекс требований: эксплуатационных, экономических и технологических.

Важнейшими являются эксплуатационные требования. Это прочность, надежность и долговечность. Иными словами, материал должен надежно работать в условиях эксплуатации в течение длительного, рационально обоснованного периода времени.

В наибольшей степени этому комплексу требований удовлетворяют кристаллические конструкционные материалы: металлы и их сплавы. Эта группа составляет до 80 % объема всех выпускаемых конструкционных материалов.

Раздел I ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Свойства металлов

Металлами являются 88 из 110 известных химических элементов. Свойства металлов обусловлены металлическим типом связи: положительно заряженные ионы расположены упорядоченно, валентные электроны принадлежат всем ионам в металлическом кристалле и могут свободно перемещаться, образуя электронный газ. Между положительно заряженными ионами и электронами действуют электростатические силы притяжения.

Металлы проявляют следующие характерные свойства:

1) Высокую теплопроводность и электропроводимость.

2) Положительный температурный коэффициент электросопротив-ления (с повышением температуры электросопротивление растет).

3) Способность к термоэлектронной эмиссии (при нагреве поверхность металла испускает электроны).

4) Непрозрачность, металлический блеск.

5) Высокую пластичность, т. е. способность деформироваться без разрушения.

Лекция 2

Плотность упаковки

Плотность упаковки элементарных частиц в кристалле определяется двумя параметрами:

1) координационным числом – числом ближайших соседей, т. е. атомов, равноудаленных от данного. В ОЦК решетке координационное число K8, что легко увидеть на изображении элементарной ячейки; в ГЦК решетке – K12, что очевидно при рассмотрении 8 соседних элементарных ячеек; в ГПУ решетке – тоже K12, а в простой кубической – K6;

2) коэффициентом компактности – отношением объема атомов, приходящихся на одну ячейку, к ее объему:

V_ат/V_яч = 0, 52 в простой кубической решетке,

V_ат/V_яч = 0, 68 в ОЦК решетке,

V_ат/V_яч = 0, 74 в ГЦК решетке и ГПУ решетке.

Обратите внимание на то, что между атомами (ионами) в металле всегда имеются поры: шары не могут заполнить весь объем.

Полиморфизм металлов

Некоторые металлы при изменении внешних условий (температуры или давления) изменяют тип кристаллической решетки. При этом химически они остаются теми же самыми веществами. Явление перестройки решетки называется полиморфным превращением. Один и тот же металл с разными кристаллическими решетками называют полиморфными модификациями данного металла. Обозначают полиморфные модификации греческими буквами, начиная с низкотемпературной: Me_a ® Me_b ® Me_g ® Me_d.

Например, железо Fe_a с ОЦК решеткой существует ниже 911 º C,

с 911 до 1392 º C оно имеет ГЦК решетку и обозначается Fe_g,

а при 1392 º C решетка снова превращается в ОЦК и сохраняется до температуры плавления (1539 º C).

Полиморфное превращение у титана происходит при 882 º C, при этом Ti_a c ГПУ решеткой превращается в Ti_b с ОЦК решеткой.

Лекция 3

Кристаллизация металлов

Кристаллизация – это переход металла из жидкого состояния в твердое, кристаллическое. В жидкости не существует дальнего порядка: расстояния между атомами не являются постоянными во всем объеме. В процессе кристаллизации должен установиться этот дальний порядок: во всем объеме металла атомы должны расположиться упорядоченно, образуя кристаллическую решетку.

Процесс кристаллизации может идти самопроизвольно, а может вызываться какими-то искусственными причинами.

Строение слитков и отливок

На процесс кристаллизации всегда влияет множество факторов: направление теплоотвода, наличие нерастворимых примесей в расплаве и т. д.

В слитке или отливке кристаллизация всегда начинается у стенок формы, так как металл здесь охлаждается быстрее (рис. 19). Степень переохлаждения у стенок велика, поэтому здесь образуется множество мелких кристалликов, по-разному ориентированных. Эту часть слитка называют мелкозернистой коркой 1.

Затем кристаллы начинают расти от поверхности в направлении, обратном отводу тепла, т. е. перпендикулярно стенке формы. В поперечном направлении кристаллы мешают друг другу расти, поэтому они приобретают вытянутую форму. Их называют столбчатыми кристаллами 2.

В центре крупного слитка образуется объем жидкого металла с почти одинаковой температурой во всех точках. Тепло от этой зоны отводится медленно, с одинаковой скоростью во всех направлениях. Поэтому зародыши здесь возникают в разных участках и не имеют преимущественного направления роста. Это зона крупных, по-разному ориентированных равноосных кристаллов 3.

В верхней части слитка за счет усадки возникает крупная пустота – усадочная раковина 4. Наилучшие механические свойства должны быть в первой зоне – корке, наихудшие – в сердцевине слитка, особенно в верхней части.

Размер зон в конкретном изделии зависит от состава металла, скорости охлаждения при кристаллизации и температуры заливаемого в форму металла.

В отливках небольшого поперечного сечения при быстром охлаждении и большом перегреве может происходить транскристаллизация: столбчатые кристаллы дорастают до столкновения, равноосные кристаллы в центре вообще не образуются.

Свободно растущий в жидкости кристалл при малой степени переохлаждения принимает форму дендрита – разветвляется подобно дереву. При росте дендритов максимальная скорость роста наблюдается по плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называют осями первого порядка. На них появляются ветви второго порядка и т. д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов. Примеси оттесняются гранями растущего кристалла. Кроме того, при затвердевании происходит усадка металла. Все это приводит к тому, что в участках, расположенных между осями дендритов, сконцентрированы примеси и имеются микропоры. Такая особенность строения литого металла приводит к понижению его механических свойств, особенно пластичности.

При прокатке дендриты деформируются, вытягиваются в длинные волокна, но междендритные промежутки с повышенной концентрацией примесей сохраняются. Этим объясняется неоднородная, волокнистая структура проката при травлении и разница в механических свойствах вдоль и поперек прокатанного изделия.

Аморфные металлы

Для получения аморфного металла нужны огромные скорости охлаждения: 10⁶-10⁷ º C/с. Достичь этого можно, только охлаждая очень тонкие слои металла или мельчайшие капли. Для этого распыляют расплав жидкостью, холодным воздухом или инертным газом, льют тонкой струйкой на массивный вращающийся водоохлаждаемый барабан и т. п.

Теоретически любой металл или сплав можно получить в аморфном состоянии, если достичь нужной скорости охлаждения. Но так как это технически сложно, то идут другим путем: в состав сплава включают аморфизаторы – бор, фосфор, кремний и др. Эти элементы способствуют переохлаждению расплава без зарождения центров кристаллизации. Например, металлическое стекло из сплава Pd – Si получается уже при скорости охлаждения 10³ º C/с. Обычное соотношение металла и аморфизатора: Me₈₀X₂₀.

Изделия из металлических стекол очень малы по толщине (доли микрона) и используются в приборостроении.

Свойства аморфных сплавов: высокая твердость, прочность, износостойкость. Пластичность в них подобна вязкому течению жидкости. Нет анизотропии. Нет границ зерен, поэтому они не подвержены коррозии, которая легче всего развивается по границам. Особо важны их уникальные магнитные свойства: прямоугольная петля гистерезиса, высокая магнитная проницаемость, малая коэрцитивная сила. Все это находит применение в аудиотехнике (звукозапись и звуковоспроизведение).

При нагреве металла, находящегося в термодинамически неустойчивом аморфном состоянии, он кристаллизуется. Можно получить смесь кристаллов с аморфной основой, имеющую уникальные свойства.

Лекция 4

Упругая деформация

Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки (рис. 20). Изделие возвращается к прежней форме и размерам. Остаточных изменений в структуре не возникает.

а бв

Рис. 20. Схема упругой деформации кристалла:

а – до деформации; б – упругая деформация; в – после деформации

Механизм упругой деформации: под действием внешней силы атомы смещаются из равновесных положений, а после прекращения ее действия возвращаются в прежние положения за счет сил межатомного притяжения или отталкивания.

При смещении атомов относительно друг друга на расстояние d, большее или меньшее d₀, энергия связи E_св уже не будет минимальной, поэтому силы межатомного взаимодействия вернут атомы на прежние места, при этом силы притяжения и отталкивания снова окажутся уравновешены.

Пластическая деформация

Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки. При возрастании напряжения атомы смещаются на значительные расстояния и занимают новые положения равновесия. Деформация становится необратимой. После снятия нагрузки устраняется только ее упругая составляющая.

Пластическая деформация в кристаллах осуществляется, в основном, скольжением атомных плоскостей относительно друг друга (рис. 21).

а б в г

Рис. 21. Схема пластической деформации идеального кристалла:

а – до деформации; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация;

г – после деформации (упругая составляющая исчезла, пластическая осталась)

Под действием силы P произошло смещение верхней части кристалла относительно нижней по плоскости mn. При этом у атома 1 сменился сосед: был 2, стал 4. Кажется, что это скольжение произошло путем одновременного разрыва межатомных связей по всей плоскости скольжения (между атомами 1 и 2, 3 и 4, и т. д.).

Зная энергию связи в кристалле, подсчитали теоретическую прочность (исходя из предположения об одновременном разрыве связей). Она оказалась огромной: в 100-1000 раз больше реальной. (Для железа, например, напряжение сдвига составляет 20 МПа, а по теоретическому расчету получается 13300 МПа.) Пришлось принять другую гипотезу: ввести понятие дефекта кристаллического строения (дислокации) и предположить механизм его перемещения. Тогда теоретическая прочность совпала с реальной.

Механизм пластической деформации: перемещение одной части кристалла относительно другой происходит за счет движения дислокаций.

Изобразим реальный кристалл, содержащий дислокацию (рис. 22). В области дислокации под нагрузкой атомы легко смещаются на расстояния, меньшие, чем межатомное. При этом происходит разрыв всего одной связи, между атомами 4 и 7 (рис. 22, а), зато возникает новая связь между атомами 1 и 7 – и дислокация перемещается на одно межатомное расстояние (рис. 22, б).

а б в

Рис. 22. Схема пластической деформации реального кристалла

Итак, в реальном, содержащем дислокации кристалле атомы смещаются под воздействием нагрузки на расстояния, меньшие межатомного, а дислокации при этом скачком перемещаются на целые межатомные расстояния. Процесс перемещения дислокаций продолжается до выхода на поверхность кристалла (рис. 22, в). Каждая дислокация при этом образует ступеньку шириной в одно межатомное расстояние. Но дислокаций – миллионы, поэтому их движение дает видимую пластическую деформацию всего кристалла (рис. 23).

Рис. 23. Деформация монокристалла, видимая невооруженным глазом

Пластическая деформация поликристалла происходит по такому же механизму (рис. 24). Скольжение идет в каждом зерне по множеству плоскостей, при этом меняется форма каждого зерна, а значит – и всего изделия. После пластической деформации микроструктура имеет характерный вид: зерна вытянуты в направлении действия наибольших напряжений.

Иногда кристаллическая решетка в каждом зерне получает определенную ориентацию относительно действующих напряжений. На рис. 25 это условно показано параллельными осями кристаллов. Такая ориентированная структура называется текстурой.

Скольжение дислокаций происходит легче всего в атомных плоскостях с максимальной плотностью атомов. Их называют плоскостями наилегчайшего сдвига. Расположение этих плоскостей в решетках металлов показано на рис. 26.

в ОЦК (Fe_a) в ГЦК (Fe_g) в ГПУ (Zn, Be)

Рис. 26. Плоскости (заштрихованы) и направления (показаны стрелками)

наилегчайшего сдвига в разных типах решеток

В заключение надо отметить, что скольжение дислокаций не связано с диффузией: нет переноса массы. Оно происходит даже при отрицательных температурах.

Разрушение

Разрушение – это разделение монолитного металла на части.

Разрушение состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождение трещины и 2) ее распространение или рост.

Механизм зарождения трещины: скопление движущихся дислокаций перед препятствием.

Препятствиями для движения дислокаций являются:

1) границы зерен (рис. 27, а). Дислокации движутся в определенных атомных плоскостях и не могут продолжать скольжение сквозь границу, так как в соседнем зерне атомные плоскости ориентированы по-другому;

пересечение дислокаций, движущихся в разных плоскостях скольжения (рис. 27, б).

а б

Рис. 27. Зарождение трещин

Около сотни дислокаций, скопившихся перед препятствием, создают трещину опасного размера. Напряжение в зоне дислокаций у границы зерна на 3 порядка больше среднего напряжения в данном сечении.

Распространение трещины может идти:

1) за счет внешних сил, подвода энергии извне. Если убрать внешнюю силу, то разрушение приостанавливается. Это – вязкое разрушение;

2) за счет внутренних напряжений, без подвода энергии извне. Это быстрое, неостановимое разрушение называется хрупким. Осуществляется путем отрыва одного слоя атомов от другого, напряжение у вершины трещины превышает предел прочности металла.

Вид излома, полученного в результате вязкого и хрупкого разрушения показан на рис. 28.

Хрупкому разрушению предшествует малая пластическая деформация, вязкому – значительная.

Зародыши вязкой и хрупкой трещины тоже отличаются: зародыш хрупкой трещины острый, имеет очень маленький радиус при вершине; зародыш вязкой трещи ны – тупой, с большим радиусом.

Расчеты Гриффитса показали, что острая трещина длиной в 1 мкм может в 100 раз снизить предел прочности материала.

Рис. 29. Зародыши трещин

Лекция 5

Прочность

Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних и внутренних напряжений.

Государственные стандарты предусматривают получение характеристик прочности при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Все это – статические испытания, с постепенным, плавным возрастанием нагрузки.

Наиболее информативно испытание на растяжение на разрывной машине; его и проводят в большинстве случаев для получения стандартных характеристик прочности (рис. 32).

Разрывная машина снабжена устройством для записи так называемой диаграммы растяжения – графика зависимости между приложенной нагрузкой P и удлинением образца Dl (рис. 31). Современные машины имеют выход на компьютер, который не только записывает диаграмму, но и рассчитывает характеристики прочности.

При росте нагрузки P длина образца l изменяется нелинейно.

Из этого испытания можно получить следующие характеристики прочности:

предел упругости [МПа] – это наибольшее напряжение, после которого образец возвращается к прежней форме и размерам;

предел текучести [МПа] – это напряжение пластического течения металла без увеличения нагрузки;

предел прочности [МПа] – это наибольшее напряжение, которое металл выдерживает, не разрушаясь.

Истинный, или физический предел текучести определить трудно: не у всех металлов образуется «площадка текучести». Поэтому чаще всего определяют условный предел текучести , который вызывает остаточную деформацию 0, 2 %: » .

Прочностные расчеты чаще ведут по пределу текучести, так как значительная пластическая деформация большинства деталей и конструкций недопустима. Но и предел прочности знать необходимо, так как он показывает, при каком напряжении начнется разрушение.

Пластичность

Пластичность – это способность металла деформироваться без разрушения.

Характеристики пластичности определяют из того же испытания на растяжение. Это

относительное удлинение [%]

относительное сужение [%], где

l₀ и l_К, мм – длина образца до и после испытания;

F₀ и F_К, мм² – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца (рис. 32).

Относительное удлинение и относительное сужение являются одновременно и критериями надежности: материал, имеющий бó льшие значения d и y, более надежен.

Твердость

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.

Методы измерения, приборы, обозначение, единицы измерения твердости описаны в методических указаниях к лабораторной работе «Определение твердости металлов и сплавов». Изучить самостоятельно!

Вязкость

Вязкость – это способность материала сопротивляться разрушению при ударных, динамических нагрузках.

Характеристика вязкости определяется при испытании на ударный изгиб. Это, в отличие от всех предыдущих, динамическое испытание, при котором нагрузка прилагается к образцу с очень большой скоростью, за тысячные доли секунды.

Испытание проводится на маятниковом копре (рис. 33).

Тяжелый маятник, поднятый на определенный угол, отпускают. На пути движения маятника находится образец. Удар ножа маятника разрушает его. Произведенная при разрушении работа определяется как разность между потенциальной энергией маятника до и после испытания.

Ударная вязкость – это работа разрушения образца, отнесенная к площади поперечного сечения:

[Дж/м²], где

A_Р – работа разрушения,

F – площадь поперечного сечения образца.

Образец должен иметь надрез – концентратор напряжения. Обозначение ударной вязкости зависит от вида надреза (рис. 34).

Для одного и того же материала KCU > KCV > KCT, т. е. чем острее надрез, тем легче разрушается материал.

Ударная вязкость тоже является критерием надежности материала, гарантией, что он не будет разрушаться хрупко, внезапно.

Строго говоря, ударная вязкость является комплексной характеристикой, включающей удельную работу зарождения трещины a_з и удельную работу распространения трещины a_р. Для более достоверной оценки надежности материала методом экстраполяции определяют ударную вязкость при радиусе концентратора r, стремящемся к нулю. Это и будет работа распространения трещины a_р, позволяющая оценить надежность (зародыши трещин в материале есть почти всегда, вопрос в том, будут ли они расти).

Хладноломкость

При низких температурах (от 0 до –269 º C, температуры жидкого гелия) увеличивается склонность металла к хрупкому разрушению. При этом резко снижается ударная вязкость (KCU, KCT) и изменяется строение излома – от волокнистого, матового до кристаллического, блестящего.

Свойство металла хрупко разрушаться, терять вязкость при понижении температуры называется хладноломкостью.

За характеристику хладноломкости принимают температурный порог хладноломкости t₅₀. Это температура, при которой величина ударной вязкости уменьшается вдвое (рис. 35). При этом излом имеет строение наполовину вязкое, наполовину хрупкое.

Выносливость

Многие детали – валы, оси, шестерни – испытывают переменные по величине и направлению нагрузки. Под действием многократно повторяющихся знакопеременных нагрузок в металле накапливаются повреждения, дефекты. Это явление называется усталостью.

В таких условиях работы напряжения, меньшие и даже , могут вызвать зарождение и рост усталостной трещины. Обычно она возникает на поверхности детали и затем подрастает с каждым циклом нагружения. Это постепенно приведет к разрушению.

Выносливость – это способность металла противостоять усталости, сопротивляться разрушению при знакопеременных нагрузках.

Характеристики выносливости определяются из испытаний на специальных машинах циклического действия. Нагрузка, действующая на каждую точку поперечного сечения образца, непрерывно меняется по величине и направлению (рис. 36).

Рис. 36. Схема циклического нагружения при усталостных испытаниях

Пределом выносливости, или пределом усталости называется наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения образца после заданного числа циклов нагружения.

При испытании сталей стандартное число циклов нагружения N = 10⁷, при испытании цветных металлов и сплавов N = 10⁸.

Лекция 6

Наклеп

Увеличение плотности дислокаций затрудняет дальнейшее скольжение. Для того чтобы продолжать деформировать металл, нужны б о льшие напряжения. Металл упрочняется, его сопротивление деформированию растет. Это значит, что повышаются его прочностные характеристики (HB, , , ), а пластичность и вязкость (d, y, KCU) – снижаются. Это явление называется деформационным упрочнением или наклепом.

Чем больше степень деформации, тем заметнее изменения в микроструктуре: все больше зерен приобретают неравноосную форму. При степени деформации 70-80 % все зерна вытягиваются в направлении действующих напряжений (рис. 38).

Рис. 38. Изменение микроструктуры металла

при наклепе

(e – степень деформации, величина относительная) Рис. 39. Изменение механических

свойств металла при наклепе

Из графика зависимости механических свойств от степени деформации (рис. 39) видно, что металл сильно упрочняется в начале деформирования, затем все медленнее. растет быстрее . У сильно наклепанных металлов предел текучести и предел прочности равны, пластичность же при этом близка к нулю. Это – предельное деформированное состояние металла, предшествующее разрушению. Плотность дислокаций составляет 10¹² см^-2, бó льшую их плотность создать невозможно, так как неизбежно возникают зародыши трещин.

В результате наклепа предел прочности и твердость могут увеличиться в 1, 5-3 раза, предел текучести – в 3-7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

Физические свойства при наклепе тоже изменяются, в частности, растет удельное электросопротивление, снижается магнитная проницаемость.

Явление наклепа широко используется в технике для повышения прочности деталей при холодной обработке давлением: обкатка шариками и роликами поверхности готовых деталей, дробеструйный наклеп рессорных листов. Вязкие металлы (латуни, алюминиевые сплавы) лучше обрабатываются резанием после наклепа.

Возврат

Возврат – это изменения тонкой структуры и свойств деформированного металла при нагреве. Микроструктура (размер и форма зерен) остается прежней.

На этой первой стадии изменений возможны два процесса: отдых и полигонизация.

Отдых происходит у всех металлов, после любой по величине деформации. При этом уменьшается число вакансий и плотность дислокаций. Твердость и прочность снижаются на 10-15 %, настолько же увеличивается пластичность.

Полигонизация идет не во всех металлах, при небольшой степени предшествовавшей деформации. В каждом зерне дислокации образуют «стенки» – малоугловые границы. Зерно делится на субзерна, или полигоны, почти свободные от дислокаций (рис. 40). а б

Полигонизованная структура устойчива до температуры плавления. Этот процесс идет, например, в железе, алюминии, молибдене.

Рекристаллизация

Рекристаллизация – это зарождение и рост новых зерен, с меньшим количеством дефектов, среди деформированных. Движущей силой процесса является стремление системы к минимальной свободной энергии: так как в новых зернах мало дефектов, их внутренняя энергия меньше.

Температура, при которой появляются и растут новые, более совершенные зерна, называется температурой рекристаллизации. Она составляет некоторую долю от температуры плавления и определяется по формуле Бочвара:

T_р = a× T_пл.

Коэффициент a зависит от количества примесей в металле:

для технически чистых металлов a = 0, 4;

для химически чистых металлов a = 0, 1-0, 2;

для сплавов a = 0, 6-0, 7.

Технически чистая медь имеет температуру рекристаллизации 270 º С, железо –
450 º С, алюминий – 100 º С.

Изменение микроструктуры деформированного металла при нагреве показано на рис. 41; изменение механических свойств – на рис. 42.

Когда все деформированные зерна заменяются новыми, равноосными, это значит, что первичная рекристаллизация завершилась. Новые, недеформированные зерна имеют очень низкую плотность дислокаций (10⁵-10⁶ см^-2) по сравнению с деформированной структурой. Некоторое время после окончания первичной рекристаллизации новые зерна одновременно подрастают, их размеры выравниваются. Этот процесс называется собирательной рекристаллизацией; она влияет на структуру и свойства металла благоприятно. Но затем может начаться вторичная рекристаллизация: рост одних зерен за счет других. При этом суммарная поверхность зерен уменьшается, т. е. движущей силой процесса является стремление к минимальной поверхностной энергии. Получаемая разнозернистая структура приводит к одновременному снижению прочности и пластичности. Это – нежелательный процесс.

Рис. 41. Изменение микроструктуры наклепанного металла при нагреве

Рекристаллизация полностью снимает наклеп, металл приобретает равновесную структуру с минимальным числом дефектов кристаллической решетки. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного, не наклепанного металла.

Рис. 42. Изменение механических свойств

металла при рекристаллизации

Лекция 7

Строение сплавов

Чистые металлы применяются сравнительно редко. Основой современной техники являются сплавы, которые имеют гораздо более широкий спектр механических и эксплуатационных свойств. Сплавы – это металлические материалы, состоящие из двух и более элементов, в том числе и неметаллов. Входящие в состав сплава вещества принято называть компонентами сплава, причем компоненты могут быть простыми (Fe, Cu) и сложными (Fe₃C, CuAl₂). При взаимодействии компоненты сплава образуют различные фазы. Фазой называется однородная по составу, строению и свойствам часть сплава, отделенная четко выраженной границей от других его частей.

Термин «сплав» говорит о том, что первоначально эти материалы действительно получали только сплавлением, то есть перемешиванием в жидком, расплавленном состоянии с последующей кристаллизацией. Но сегодня существует много других способов:

- порошковая металлургия (прессование порошков компонентов, затем спекание их при высокой температуре),

- диффузионное насыщение поверхности одного компонента другим,

- электролиз расплавов,

- кристаллизация из паров в вакууме.

Тем не менее, термин остался. Компоненты, входящие в состав сплава, могут взаимодействовать по-разному. От вида взаимодействия зависят строение и свойства сплава.

В расплавленном состоянии большинство металлов растворяются друг в друге без ограничений, образуя жидкий раствор. При кристаллизации они могут образовать подобную структуру – твердый раствор одного компонента в решетке другого. Иногда компоненты вступают в химическое взаимодействие и образуют химическое соединение. Но бывает и так, что между компонентами в твердом состоянии нет никакого взаимодействия, и тогда они кристаллизуются раздельно, каждый образует свои собственные кристаллы, а сплав представляет собой механическую смесь кристаллов исходных компонентов.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒