Деформация в металлах и сплавах

Механизм упругой и пластической деформации

Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение.

Пластическая деформация начинается тогда, когда действующие напряжения превысят предел упругости. Сначала пластическая деформация может происходить лишь в отдельных зернах с благоприятной ориентировкой, у которых плоскости легкого скольжения совпадают с направлением максимальных касательных напряжений. Для одноосного растяжения такие плоскости расположены под углом 45° к направлению приложенных сил (рис. 84, 85).

При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, называемая пластической, остается.

При больших степенях пластической деформации оси зерен получают определенную ориентировку, называемую текстурой деформации. В этом состоянии металл имеет резко выраженную анизотропию свойств. Например, в продольном направлении, т.е. вдоль вытянутых зерен — волокон, металл прочнее, чем в поперечном направлении.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться двумя способами: 1) скольжением и 2) двойникованием.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций, последовательно – от одного атома к другому (рис А).

При двойниковании под действием касательных напряжений одна часть зерна оказывается смещенной по отношению к другой части, занимая симметричное положение и являясь как бы ее зеркальным отражением (рис Б).

Схема упругой и пластической деформации металла

под действием напряжения сдвига τ:

а — первоначальный кристалл; б — упругая деформация; в — увеличение упругой и появление пластической деформации, вызванной скольжением при нагружении, больше предела упругости; г — напряжение, обусловливающее появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д — образование двойника

Движение краевой дислокации, приводящее к образованию

ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

б—г — этапы передвижения дислокации и выхода еена поверхность; τ -напряжение сдвига;

Пути повышения прочности металла

увеличение прочности металла при сохранении достаточной пластичности и вязкости повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин.

Принято различать техническую (фактическую) и теоретическую (расчетную) прочность металлов.

Под теоретической прочностью понимают сопротивлении деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Теоретическое значение прочности в 100 – 1000 раз больше технической прочности, вследствие существования дефектов в кристаллическом строении (дислокаций).

Минимальную прочность имеют чистые, отожженные металлы при плотности дислокации около 10⁶—10⁸ см^-2. С уменьшением количества дислокации сопротивление деформированию, т.е. прочность металла, возрастает и может достигать теоретического значения (металлические «усы» — нитевидные кристаллы толщиной 0,5 - 2 мкм и длиной до 10 мм с практически бездефектной структурой). «Усы» железа толщиной 1 мкм имеют σ_в = 13 500 МПа, т.е. почти теоретическую прочность. Из-за малых размеров «усы» применяют ограниченно. Увеличение размеров «усов» приводит к появлению дислокаций и резкому снижению прочности.

Правее точки 1 (рис. 73) с увеличением количества дислокаций прочность металлов возрастает. Это используют при таких способах упрочнения, как легирование, термическая обработка, холодная пластическая деформация и т.д. Основными причинами упрочнения являются увеличение количества (плотности) дислокаций, искажение кристаллической решетки, возникновение напряжений, измельчение зерен металла и т.д., т.е. все то, что затрудняет свободное перемещение дислокаций.

Предельная плотность дислокаций для упрочненного металла составляет около 10¹⁰ – 10¹² см^-2. При большей плотности в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение.

Таким образом прочность повышают:

1. Созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой;

2. Повышением плотности дефектов, затрудняющих движение дислокаций (наклеп, легирование, термообработка).

Наклеп

Наклепом называется изменение свойств металла в результате холодной пластической деформации. Из рис. 86 видно, что с увеличением степени пластической деформации повышается прочность и твердость, т.е. происходит упрочнение металла, его нагартовка. Наряду с этим понижается пластичность и вязкость металла, т.е. происходит его охрупчивание.

рис. 11. Влияние деформации на свойства металлов

1 – прочность, 2 – твердость, 3 – пластичность, 4 – вязкость

Возврат

Около 10 - 15% всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем в виде повышенной потенциальной энергии смещенных атомов, напряжений. Таким образом, деформированный металл находится в неравновесном, неустойчивом состоянии. Переход к более равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов. При низких температурах подвижность атомов мала и состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго. С повышением температуры диффузия атомов увеличивается и в металле начинают развиваться процессы, приводящие его к более равновесному состоянию. Это явление называют возвратом.

Рекристаллизация

При повышении температуры подвижность атомов возрастает и при достижении определенной температуры образуются новые равноосные зерна. до температуры (Т_рек) (температурный порог рекристаллизации) сохраняется деформированное зерно (1). При температуре Т_рек в деформированном металле образуются и растут зародыши (2) новых зерен с неискаженной решеткой и значительно меньшей плотностью дефектов. При нагреве наклепанного металла старое зерно не восстанавливается, а появляется новое. Это явление называется первичной рекристаллизацией.

У сплавов Т_рек максимально до 0,6 Т_пл, у чистых металлов Т_рек мин. до 0,2 Т_пл. Увеличение степени наклепа способствует снижению Т_рек.

Разупрочнение объясняется снятием искажения кристаллической решетки и резким уменьшением плотности дислокаций.

После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизационных зерен за счет других (3). Это явление называется собирательной рекристаллизацией.

При температуре выше t_l (4) пластичность уменьшается, что объясняется сильным ростом зерна – явление перегрева при рекристаллизации.

1 2 3 4

Строение сплавов

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Возможны и другие способы приготовления сплавов - спекание, электролиз, возгонка (в этом случае вещества называются псевдосплавами), но наиболее распространенным является производство сплавов путем сплавления разных веществ.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

Если в твердом состоянии нет химического взаимодействия между компонентами, образующими сплав, тогда строение сплава является механической смесью отдельных частиц или зерен этих компонентов.

Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы.

3.1. Механическая смесь

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В (рис. 78), отчетливо выявляемых на микроструктуре (если они достаточно крупного размера).

Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В. Если бы исследовать в таком сплаве отдельно свойства кристаллов А и кристаллов В, то они были бы тождественны свойствам чистых металлов А и В.

3.2. Химическое соединение

При образовании химического соединения соблюдаются следующие условия:

1) соотношение чисел атомов элементов соответствует пропорции, которая может быть выражена формулой А_nВ_m,

2) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.

Химическое соединение также характеризуется определенной температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава.

Кристаллическая решетка хим. соед. NaCI (отношение 1:1)

3.3. Твердый раствор

В жидком состоянии большинство металлических сплавов, применяемых в технике, представляет собой однородные жидкости, т.е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность и растворимость сохраняются. Твердая фаза, образующаяся в результате кристаллизации такого сплава, называется твердым раствором.

Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (один тип решетки) (рис. 80).

Рис. 80. Микроструктура твердого раствора (схема)

Следовательно, в отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. Здесь возможны два различных случая:

1. Твердые растворы замещения. Металл А имеет, например, решетку, изображенную на рис. 81, а. Растворение компонента В в металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В в решетке основного металла (рис. 81,б).

2. Твердые растворы внедрения. Атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А, как это схематически показано на рис. 81, в.

При образовании растворов внедрения и замещения, атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

У элемента растворителя сохраняется решетка. Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В. Следовательно, если увеличивается концентрация атомов В, то все больше и больше атомов В будет находиться в узлах решетки вместо атомов А до тех пор, пока все атомы А не будут заменены атомами В и, таким образом, как бы плавно совершится переход от металла А к металлу В (рис. 84). Это, конечно, возможно при условии, если оба металла имеют одинаковую кристаллическую структуру, т.е. оба компонента являются изоморфными.

вторым условием образования неограниченных твердых растворов является достаточно малое различие атомных размеров компонентов.

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 393; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!