Конструкционные стали и сплавы учебное пособие [для вузов] elr02. Е. Е. Складнова, Г. А. Воробьёва ккоон
 Скачать 3.27 Mb.
|
Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значитель- ные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух разориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы бло- ков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую пространственную ориентировку ре- шеток. Блоки повернуты по отношению друг к другу на угол от не- скольких секунд до нескольких минут, их размер10–5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 5°. Если угловая разориенти- Рис. 1.8. Влияние иска- жений кристаллической решетки на прочность кристаллов 14 ровка (θ) решеток соседних зерен меньше 5°, то такие границы назы- ваются малоугловыми (рис. 1.9). Все границы фрагментов и блоков малоугловые. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в кристаллическую решетку другого, наблюдается повышенное скопление дислокаций и концентрация примесей. Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не сов- падают. Скольжение первоначально разви- вается в наиболее благоприятно ориен- тированных зернах. Разная ориентиров- ка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зе- рен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в сосед- ние зерна, приводя в них в действие источники образования новых дислокаций (источники Франка–Рида). Происходит передача дефор- мации от одних зерен к другим. Границы зерен препятствуют пере- мещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, существенно влияя на механические свойства металла. Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пре- делах – от нескольких микрометров до миллиметров. Средний размер зерна оценивается по специальной стандартизованной 10-балльной шкале и характеризуется числом зерен, приходящихся на 1 мм 2 по- верхности шлифа, при увеличении в 100 раз. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность ме- талла. При измельчении зерна увеличиваются предел текучести, прочность и одновременно пластичность и вязкость металла. Послед- нее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенная пластичность и вязкость обуслов- лены более однородным составом и строением мелкозернистого ме- талла, отсутствием в нем крупных скоплений, структурных несовер- шенств, способствующих образованию трещин. Помимо перечислен- Рис. 1.9. Схема малоугловой границы 15 ных дефектов, в металле имеются макродефекты объемного характе- ра: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещи- ны, снижающие его прочность. 2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ 2.1. Первичная кристаллизация металлов Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном, переходы между которыми сопро- вождаются скачкообразными изменениями свободной энергии F. Свободная энергия изменяет свою величину при изменении темпера- туры, плавлении, полиморфных превращениях и т.д.: F = U – TS, где F – свободная энергия; U – полная внутренняя энергия системы; Т – температура; S – энтропия. Согласно второму закону термодинамики всякая система стре- мится к минимальному значению свободной энергии. Любой само- произвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво, т.е. обладает меньшим запасом свободной энергии. Условия кристаллизации. Переход из жидкого состояния в твердое, кристаллическое, называется кристаллизацией. Этот переход происходит при определенных температуре и давлении. При атмо- сферном давлении, характерном для большинства производственных процессов, основным параметром перехода является температура. В газах отсутствует закономерность в расположении частиц, они движутся хаотически, причем газ стремится занять возможно больший объем. Твердые кристаллические тела имеют правильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (так называемый дальний порядок). В жидкостях определенная ориентиров- ка распространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число ато- мов, образующих сравнительно устойчивые группировки, или флуктуа- ции (ближний порядок). По мере увеличения температуры твердого тела растет подвиж- ность атомов в узлах решетки, амплитуда колебаний увеличивается и при достижении определенной температуры, называемой температу- рой плавления, закономерное расположение атомов нарушается, ре- шетка разрушается с образованием жидкой фазы. Температура плав- ления (°С) – важная константа: ртуть 38,9, олово 232, цинк 419, алю- миний 660, медь 1083, железо 1536 и т.д. до вольфрама – 3410 °С. 16 Вблизи температуры плавления существуют группировки атомов (кластеры), в которых атомы расположены как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами, из которых впоследствии растут кристаллы. При достижении темпера- туры плавления–затвердевания вновь образуется кристаллическая решетка и металл переходит в твердое состояние. Термодинамические условия кристаллизации. Энергетическое состояние любой системы характеризуется определенным запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения мо- лекул, атомов, электронов, внутриядерной энергии, энергии упругих искажений кристаллической решетки и других видов энергии. Кристаллизация и плавление, как все самопроизвольно протека- ющие процессы, обусловлены тем, что новое состояние в конкретных условиях обладает меньшим запасом энергии. Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и пла- вится, если жидкое. Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний при изменении температуры показано на рис. 2.1, а. С повышением тем- пературы величина свободной энергии обоих состояний уменьшается, но закон изменения свободной энергии различен для жидкого и твер- дого состояний вещества. а) б) Рис. 2.1. Влияние температуры на изменение энергии F (свободная энергия) жидкого и твердого металла (а); термические кривые охлаждения при кристал- лизации чистых металлов с разной скоростью (б) 17 Различают теоретическую и фактическую температуру кристал- лизации. При теоретической, или равновесной, температуре T s , когда F ж = F тв , равновероятно существование металла как в жидком, так и в твердом состоянии. Реальная же кристаллизация начнется только то- гда, когда этот процесс будет термодинамически выгоден системе и сопровождаться уменьшением ее свободной энергии, для чего необ- ходимо некоторое переохлаждение. Температура, при которой прак- тически идет кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации Т кр . Разность между теоретической и фактической температурами называется степенью переохлаждения: ΔТ = T s –Т кр Чем больше степень переохлаждения ΔТ, тем больше разность сво- бодных энергий ΔF, тем интенсивнее будет идти кристаллизация. Термические кривые, характеризующие процесс охлаждения с различными скоростями, приведены на рис. 2.1, б. При медленном охлаждении, соответствующем кривой v 1 , сте- пень переохлаждения невелика и кристаллизация протекает при тем- пературе, близкой к равновесной. Горизонтальная площадка на тер- мической кривой объясняется выделением скрытой теплоты кристал- лизации, которая компенсирует отвод тепла. С ростом скорости охлаждения (кривые v 2 , v 3 ) степень переохлаждения растет и процесс кристаллизации протекает при все более понижающейся температуре. Кроме того, степень переохлаждения зависит от чистоты металла: чем чище металл, тем больше степень переохлаждения. Как при затвердевании необходимо переохлаждение до фактиче- ской температуры кристаллизации, так и при плавлении происходит перегрев до достижения реальной температуры плавления. Механизм процесса кристаллизации. Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кри- сталлизации и роста кристаллов из этих центров. При температурах, близких к температуре затвердевания, в жид- ком металле существуют центры кристаллизации, в которых атомы расположены так же, как в твердых кристаллах. С увеличением сте- пени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации, об- разующихся в единицу времени. Одновременно с ростом кристаллов в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Кристаллы растут до взаимного столкновения, этим объясняется неправильная форма зерен. Реальные твердые кристаллы неправильной формы называются кристаллитами. Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих эле- ментарных процессов и определяется скоростью зарождения центров кристаллизации (С З ) и скоростью роста кристаллов из этих центров 18 (С Р ) (рис. 2.2) Величины С З и С Р зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре T S = 0 С З = 0 и С Р = 0. С увеличением Т растет разность свободных энергий: ΔF = F ж …F тв , и при достаточной подвижности атомов С З и С Р растут и достигают мак- симума. Последующее уменьшение С З и С Р объясняется снижением подвижности атомов при снижении температуры, что затрудняет перестройку атомов из хаоти- ческого расположения в жидкости в кри- сталлическую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении С З и С Р равны нулю и жидкость не кристалли- зуется, а превращается в аморфное тело. Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь восходящие ветви кривых С З и С Р и с ростом ΔТ увеличи- ваются скорости обоих процессов. В настоящее время с использованием специальных технологий достигаются высокая скорость охлаждения (более 10 6 °С/с) и стекло- образное состояние металла, в котором металлы характеризуются особыми физико-механическими свойствами. Зародышами кристаллизации могут быть флуктуации атомов ос- новного металла (гомогенные зародыши), примеси, различные твер- дые частицы (гетерогенные зародыши). Изменение свободной энергии при гомогенном зарождении цен- тров кристаллизации включает затраты на возникновение зародыша и образование поверхности раздела. Для того чтобы зародыш обладал достаточной термодинамической и физической прочностью, он дол- жен достичь соответствующего критического размера r к . При r < r к зародыши не образуются, потому что ΔF положительна и ее величина растет; когда размер зародыша r > r к , его роль в процессе кристалли- зации становится определяющей, поскольку в этот момент ΔF < 0, что означает начало самопроизвольного процесса кристаллизации. От соотношения скоростей зарождения и развития зависит раз- мер зерен. При небольшом переохлаждении скорость роста велика, скорость зарождения сравнительно мала, в этом случае в объеме об- разуется сравнительно небольшое число крупных кристаллов. При увеличении ΔТ (при увеличении скорости охлаждения) скорость за- рождения возрастает, что приводит к образованию большого числа мелких кристаллов. Рис. 2.2. Влияние степени переохлаждения на скоро- сти зарождения и роста кристаллов 19 Размер зерна определяется не только степенью переохлаждения. Важную роль играют температура нагрева и разливки металла, его химический состав и особенно присутствие посторонних примесей. В реальных условиях самопроизвольное зарождение кристаллов в жид- ком металле затруднено. Источником образования зародышей служат различные твердые частицы – неметаллические, тугоплавкие включе- ния. Для измельчения зерна в металл специально вводят вещества, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, карбонитриды титана, ванадия, ниобия). 2.2. Строение металлического слитка Кристаллизация начинается от стенок формы. В направлении от- вода тепла, т.е. перпендикулярно к стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. При этом образуются оси перво- го порядка. Одновременно на их ребрах зарождаются и растут пер- пендикулярные им оси второго порядка, затем третьего и т.д. В ре- зультате образуется разветвленный древовидный кристалл, называе- мый дендритом. При затвердевании имеет место избирательная кристаллизация, т.е. в первую очередь затвердевает более чистый металл, а границы зерен более обогащены примесями, понижающими температуру плавления. Неоднородность химического соста- ва в пределах дендрита называется дендритной ликвацией. В большей степени, чем другие эле- менты, ликвации подвержены углерод, сера, фосфор. Зерна (дендриты), образующиеся в стальном слитке, могут иметь различную форму, размеры и ориентировку. Структура слитка спо- койной стали (рис. 2.3) состоит из трех зон: наружной мелкозернистой I, зоны столбчатых кристаллов II и зоны равноосных кристаллов III. Наружная мелкозернистая зона состоит из не ориентированнных в пространстве мелких кри- сталлов. Ее образование обусловлено резким перепадом температур: жидкий металл – холод- ные стенки формы. Металл в этой зоне сильно переохлаждается, в нем образуется большое число центров кристаллизации, и он приобретает мелкозернистое строение. После образования корковой зоны условия теплоотвода меняются, температурный градиент в прилегающем слое Рис. 2.3. Строе- ние слитка спокойной стали 20 жидкого металла падает и степень переохлаждения снижается. В ре- зультате из сравнительно небольшого числа центров кристаллизации в направлении отвода тепла, т.е. перпендикулярно к стенке изложни- цы, начинают расти столбчатые кристаллы, образующие зону II. Раз- витие их в стороны сдерживается соседними дендритами. Зона III – зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет опре- деленной направленности отвода тепла. Здесь зародышами обычно являются различные мелкие твердые частицы, оттесненные при кри- сталлизации к центру слитка. Относительное распределение в объеме слитка столбчатой и рав- ноосной зон очень важно. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, но в местах их стыка он имеет малую прочность. Кристал- лизация, при которой зоны столбчатых кристаллов стыкуются, назы- вается транскристаллизацией. Для цветных металлов транскристалли- зация полезна, так как металл становится плотнее и благодаря высо- кой пластичности трещины при деформации не образуются. Транскристаллизация стали нежелательна, так как на стыке двух кри- сталлов при деформации могут образовываться трещины (за исклю- чением стали, подвергнутой электрошлаковому переплаву). Основные дефекты слитка – усадочная раковина, пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадоч- ной раковины и по оси слитка. Образование усадочной раковины и усадочной пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме вис- мута, имеют в твердом состоянии меньший удельный объем, чем в жидком. 2.3. Полиморфные превращения В зависимости от температуры многие металлы могут существо- вать в разных кристаллических формах, или модификациях, так как в определенном температурном интервале будет существовать тот тип кристаллической структуры, который обладает меньшей свободной энергией. Переход чистого металла из одной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре и сопро- вождается выделением тепла при охлаждении и поглощением при нагреве. Так же как и при первичной кристаллизации (из жидкой фа- зы), имеет место переохлаждение или перенагрев относительно рав- новесной температуры, чтобы возникла разность свободной энергии между образующейся и исходной модификацией. Полиморфное пре- вращение может протекать по диффузионному и бездиффузионному 21 (мартенситному) механизму. В результате образуются новые зерна, имеющие другую форму и размеры, поэтому превращение также называют перекристаллизацией (или вторичной кристаллизацией). Это используют для измельчения крупного зерна, полученного при первичной кристаллизации или предварительном нагреве до высоких температур. Полиморфные модификации принято обозначать буква- ми , , , по мере повышения температуры, например Ti Ti ; Co Co и др. Полиморфное превращение сопровождается скачко- образным изменением свойств металлов или сплавов: удельного объ- ема, теплопроводности, теплоемкости, электропроводности, магнит- ных, механических и других. 3. ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 3.1. Свойства металлов и сплавов Различают физические, химические, технологические и механи- ческие свойства. Физические свойства – плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные харак- теристики, теплопроводность, электропроводность – определяют по- ведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Под химическими свойствами понимают спо- собность материалов вступать в химическое взаимодействие с други- ми веществами, сопротивляемость окислению и химическому взаи- модействию веществ. Пример химического взаимодействия среды и металла – коррозия. Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергаться горячей и холодной об- работке, в том числе при выплавке, литье, горячем и холодном де- формировании, обработке резанием, термической обработке и сварке. При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами, которые характеризуют способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием внешних механических сил. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими, воз- действующими при разных температурах и в разных агрессивных средах. |