Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 35Следующая ⇒

участка (кривая 2 на рис. 2.8) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

Рис. 2.9. Обобщенная диаграмма усталостного разрушения (схема):/ - стадия постепенного накопления повреждений до возникновениятрещины усталости; II - стадия распространения трещины; /// - стадия долома

1) циклическую прочность — физическийили ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;

2) циклическую долговечность — число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образо-

вания усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Долговечность также может быть неограниченной (при ст_тах < o"-i) и ограниченной (при ег_тах > cr_i).

Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано с значительным разбросом долговечности из-за ее высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.

Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость. Их проводят при высоких напряжениях (выше сто,2) ^и малой частоте нагружения (обычно не более 5 Гц). ) ги испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает 5 • 10⁴ циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (см. рис. 2.8).

Кривые усталости характеризуют стадию разрушения и не о i ража км процессы, ему предшествующие. Более показательна обобщенная диа-■ |>лмма усталости (рис. 2.9). Она содержит дополнительные линии (штри •лнис), выделяющие в процессах усталости три стадии.

Обобщенная диаграмма позволяет установить дополнительные' кри-и'рии выносливости. И » них наиболее важное значение; имеет живучесть,

определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучесть характеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины (в области II на рис. 2.9). Живучесть (СРТУ) — критерий надежности материала, с помощью которого прогнозируют работоспособность детали, рассчитанную на циклическую прочность по ограниченному пределу выносливости. При высокой живучести (малой СРТУ) можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу конструкции.

Глава 3

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов — зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно — самопроизвольная кристаллизация — или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации — несамопроизвольная кристаллизация.

Самопроизвольная кристаллизация

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G.

С повышением температуры термодинамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается, что показано на рис. 3.1.

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т.е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление — процесс, обратный кристаллизации, происходит ири температуре выше равновесной, т.е. при перегреве. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется тгмпгратурным i'uerntрс.тсом.

Поскольку жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, при кристаллизации выделяется теплота. Между теплотой. Q и температурой кристаллизации Т_к существует определенная связь. Так как при равновесной температуре кристаллизации термодинамические потенциалы в жидком и твердом состояниях равны, из формулы (1.1) следует, что

АН_Ж - Т_КА5_Ж = АН_К - T_KAS_K;

АН_Ж - ДЯ_К = Т_К(Д5_Ж - AS_K);

Q = T_KAS.

Параметр AS = Q/T_K характеризует упорядоченность в расположении атомов при кристаллизации. В зависимости от сил межатомной связи теплота кристаллизации для различных металлов изменяется от 2500 Дж/моль (например, Na, К) до 20000 Дж/моль (например, W). Когда кристаллизуется чистый элемент, отвод теплоты, происходящий вследствие охлаждения, компенсируется теплотой кристаллизации. В связи с этим на кривой охлаждения, изображаемой в координатах температура ■- время, процессу кристаллизации соответствует горизонтальный участок (рис. 3.2). При большом объеме жидкого металла выделяющаяся при кристаллизации теплота повышает температуру практически до равновесной (см. рис. 3.2, кривая а); при малом объеме металла выделяющейся теплоты недостаточно, вследствие чего кристаллизация происходит с переохлаждением по сравнению с равновесной температурой (см. рис. 3.2, кривая б).

Рис.. 3.1. Изменение термодинамического потенциала d зависимости от температуры для металла и твердом и жидком состояниях

Рис. 3.2. Кривые охлаждения металла при малых (а) и высоких (б) скоростях охлаждения

Разница между равновесной Т_к и реальной Т температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения AT. Степень переохлаждения зависит от природы металла. Она увеличивается с повышением

70 Глава 3. Формирование структуры литых материалов

чистоты металла и ростом скорости охлаждения. Обычная степень переохлаждения металлов при кристаллизации в производственных условиях колеблется от 10 до 30 °С; при больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов. Ниже приведены значения степени переохлаждения для некоторых металло.в:

Me.......... Pb Sn Sb Au Cu Fe Ni Co Pt

AT, °C . . . 80 118 135 230 236 295 319 330 370

Степень перегрева при плавлении металлов, как правило, не превышает нескольких градусов.

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них (наиболее крупные) становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами). Образованию зародышей способствуют флуктуации энергии, т.е. отклонения энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зависит от величины зоны флуктуации.

Появление центров изменяет термодинамический потенциал системы ДС?₀бщ (рис. 3.3). С одной стороны, при переходе жидкости в кристаллическое состояние термодинамический потенциал уменьшается на VAGy(Gi), с другой — он увеличивается вследствие появления поверхности раздела между жидкостью и кристаллическим зародышем на величину, равную 5c(G2):

AG_o6ux = -VAGy + Sa, (3.1)

где V — объем зародыша, см³; AGy — удельная разность термодинамических потенциалов при переходе жидкости в кристаллическое состояние Дж/см³,

AG_V = QAT/T_K, (3.2)

S — поверхность зародыша, см²; а - удельное нонерхнос nine на i яженис на границе кристалл жидкость, 11/м.

Ксли принять, что зародыш имеет форму куба с ребром Л, то общее изменение термодинамического потенциала

AG_o6ui = A³ AGy + 6А²ст. (3.3)

Из уравнения (3.3) следует, что зависимость изменения термодинамического потенциала от размера зародыша имеет максимум (см. рис. 3.3) при некотором значении А, названном критическим. Зародыши с размером больше критического вызывают уменьшение AG₀6ui и поэтому являются устойчивыми, способными к росту. Зародыши, имеющие размер меньше критического, нестабильны и растворяются в жидкости, поскольку вызывают увеличение AG₀6iii- Д^ля определения критического значения .1 нужно продифференцировать AG по Л и приравнять производную к нулю: dAa_o6ui/dA = 0. Тогда

А_кр = 4а/AGy, (3.4)

С увеличением степени переохлаждения поверхностное натяжение изменяется незначительно, a AGy быстро повышается, а следовательно, критический размер зародыша убывает и появляется больше зародышей, способных к росту. В этом легко убедиться, если подсчитать критический размер зародыша, например железа, при разных степенях переохлаждения, например: АТ\ = 10 К и ДГ₂ = 100 К. Зная удельную скры-i ую теплоту плавления железа Q = 1,5 • 10³ Дж/см³ и температуру его плавления (кристаллизации) Т_к = 1812 К, по формуле (3.2) определяем AG у при АТх = 10 К: AGy = 1,5- 10³ • 10/1812 = 8,278 Дж/см³. Под-(чавляя полученное значение AGy и значение а (для железа оно равно К) 1 • 10~⁷ Дж/см²) в формулу (3.4), находим

А_кр = 4 • 204 • 10~⁷/8,278 = 98,6 х Ю^-7 см = 98,6 нм.

Аналогичные расчеты, проведенные для АТ2 = 100°С, показывают, ч |о в этом случае А_кр = 9,86нм.

Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением между скоростью образования цен-i ром кристаллизации и скоростью роста. Первая измеряется числом зародышей, образующихся н единицу времени в единице объема (мм^-3 -с^-1), шорая увеличением линейною ра(мера растущего кристалла н единицу

Рис. 3.3. Изменение термодинамического потенциала при образовании зародышей в зависимости от их размера

Рис. 3.4. Изменение скорости образования зародышей »» и скорости роста кристаллов »_р в зависимости от степени переохлаждения ДГ

времени (мм/с). Оба процесса связаны с перемещениями атомов и зависят от температуры (рис. 3.4).

Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим переохлаждениям, как правило, характерны восходящие ветви кривых. При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 435; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!