Главная страница
Финансы
Экономика
Математика
Информатика
Начальные классы
Биология
Медицина
Вычислительная техника
Сельское хозяйство
Ветеринария
Дошкольное образование
Логика
Этика
Религия
Философия
История
Воспитательная работа
Социология
Политология
Физика
Языки
Языкознание
Право
Юриспруденция
Русский язык и литература
Строительство
Промышленность
Энергетика
Электротехника
Автоматика
Связь
Другое
образование
Доп
Физкультура
Технология
Классному руководителю
Химия
Геология
Иностранные языки
Искусство
Культура
Логопедия
География
Экология
ИЗО, МХК
Казахский язык и лит
Директору, завучу
Школьному психологу
Языки народов РФ
Социальному педагогу
Обществознание
ОБЖ
Механика
Музыка
Украинский язык
Астрономия
Психология

лекции металловедение 2. Лекция 5 способы упрочнения материалов


Скачать 1.18 Mb.
НазваниеЛекция 5 способы упрочнения материалов
Анкорлекции металловедение 2.doc
Дата26.12.2017
Размер1.18 Mb.
Формат файлаdoc
Имя файлалекции металловедение 2.doc
ТипЛекция
#9738

ЛЕКЦИЯ 5
СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Ранее были рассмотрены механические свойства металлов и сплавов. Основным свойством для машиностроительных материалов является прочность. Однако, уровень прочности материалов в исходном состоянии не всегда соответствует требуемым значениям.

В этом случае необходимо повысить характеристики прочности для данного сплава, используя один из способов упрочнения.

К способам упрочнения относятся:

  1. Холодная пластическая деформация (ХПД).

  2. Термическая обработка.

  3. Легирование (введение в состав сплава дополнительных химимческих элементов).

  4. Химико-термическая обработка (упрочнение поверхностных слоев металла и деталей малых сечений).

  5. Механо-термическая обработка (сочетание механической и термической обработки).


УПРОЧНЕНИЕ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Рассмотренный ранее механизм пластической деформации, позволяет

сделать вывод, что процесс сдвига в кристаллах под действием внешних напряжений будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле.

После пластической деформации дислокационная плотность увеличивается и достигает значении 108  1010 см -2. При этом формируются дислокационные скопления: сплетения в виде клубков дислокаций. При увеличении степени деформации плотность дислокаций возрастает до 1011 – 1012 см -2.

Повышение прочности с возрастанием плотности дислокаций объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных кристаллографических плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться и реальная прочность металла повышается, так как замедляется движение дислокаций и уменьшается пластическая деформация.

Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом. С ростом степени деформации прочность и твердость повышаются, а способность к пластической деформации снижается (рис.5.1).







Рис.5.1. Изменение свойств металла с увеличением степени

деформации.
Степень предварительной деформации определяется по характеристике ε и вычисляется как отношение разности толщин заготовок до деформации (Н) и после деформации (h) к исходной толщине Н:

ε = [(H - h) / H] ∙ 100%.
Рост числа дислокаций и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводит к тому, что свободная энергия металла растет, и он переходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Нагрев металла должен способствовать возврату металла в более устойчивое исходное структурное состояние.

Уже при небольшом нагреве происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций, снижение внутренних напряжений. При этом видимых изменений структуры не наблюдается и вытянутая форма зерен сохраняется. Этот процесс называется возвратом. При возврате прочность уменьшается незначительно (на 20 - 30%), а пластичность несколько увеличивается.

С ростом температуры нагрева подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование и рост новых равноосных зерен называется рекристаллизацией.

Рис.5.2. Схема процесса рекристаллизации в деформированном

металле при нагреве.


Процесс рекристаллизации протекает в две стадии:

Первая стадия - рекристаллизация обработки - процесс образования новых зерен.

Вторая стадия - собирательная рекристаллизация - процесс роста вновь образованных рекристаллизованных зерен (рис.5.2).

Новые зерна возникают на границах старых зерен. Процесс первичной рекристаллизации термодинамически выгоден, так как при переходе деформированного металла в более устойчивое равновесное состояние сопровождается уменьшением свободной энергии.

Температура, при которой возникают новые зерна и изменяются механические свойства, называется температурой рекристаллизации (Тр).

Она зависит от температуры плавления.

Тр = а ∙ Тпл,

где а - коэффициент, зависящий от состава и структуры металла.

  • для чистых металлов: Тр = 0,3 - 0,4 ∙ Тпл;

  • для сплавов : Тр = 0,7 - 0,8 ∙ Тпл.

Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве представлено на рис.5.3.


Рис. 5.3. Схема изменения структуры и свойств деформированного металла при нагреве:

1-2 – возврат; 2-3 – первичная кристаллизация; 3-4 – собирательная рекристаллизация
Таким образом, если необходимо снять наклеп, то следует провести нагрев деформированного металла при температуре выше, чем температура рекристаллизации.

Относительно температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию. Холодная деформация проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации и является способом упрочнения металлов и сплавов. Горячая деформация проводится при температурах выше температуры рекристаллизации. Так, при механической обработке давлением имеют место два процесса: упрочнение за счет пластической деформации и последующее разупрочнение при рекристаллизации.


ЛЕКЦИЯ 6

ТЕОРИЯ СПЛАВОВ
Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В машиностроении обычно применяются сплавы. Сплавами называют сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы, образующие сплав, называются компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т.д.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.

В твердом состоянии компоненты могут образовывать три типа сплава (типа взаимодействия между собой):

1. Механические смеси.

2. Химические соединения.

3. Твердые растворы.

При рассмотрении типов взаимодействия компонентов в сплаве обозначим один компонент как А и второй компонент как В.

Твердые растворы.

При образовании твердого раствора один компонент является растворителем, другой компонент – растворимый. Растворитель – тот компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется.

Растворимый компонент – его атомы располагаются в кристаллической решетке растворителя.

В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

В твердом растворе замещения атомы компонента - растворителя замещаются атомами растворимого компонента (рис.6.1, а).

В твердом растворе внедрения атомы растворимого компонента размещаются между атомами компонента – растворителя (рис.6.1, б).





а

б

Рис. 6.1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

Обозначение твердых растворов: А (В), где

А – растворитель, В – растворимый компонент

или буквами греческого алфавита: α, β, γ.

В зависимости от концентрации компонентов в сплаве различают ограниченные и неограниченные твердые растворы.

Неограниченные твердые растворы образуются во всем интервале концентрации компонентов в сплаве.

Ограниченные твердые растворы образуются только в определенном интервале концентрации компонентов.

Твердые растворы в структуре имеют одинаковые однородные зерна, т.е. имеют одну фазу – фазу твердого раствора. Кристаллизация твердых растворов происходит в интервале температур.

Сплавы, представляющие твердые растворы, отличаются хорошими свойствами. Они имеют более высокую твердость и прочность, чем чистые компоненты, входящие в состав этих сплавов. Твердые растворы обладают хорошей пластичностью и технологичностью. Такие сплавы хорошо обрабатываются.

Механические смеси.

Если элементы, входящие в состав сплава, при кристаллизации из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь.

При кристаллизации у каждого из таких компонентов образуется своя кристаллическая решетка.

В структуре различаются зерна каждого из компонентов, т.е. образуются две фазы. Механические смеси кристаллизуются из жидкости при постоянной температуре. При этом компоненты кристаллизуются обособленно друг от друга, но одновременно.

Механическую смесь могут образовывать не только компоненты, но и два твердых раствора или один из компонентов и ограниченный твердый раствор.

В металловедении механическую смесь двух компонентов называют эвтектикой.

Эвтектика – механическая смесь двух и более компонентов, кристаллизующихся при постоянной температуре одновременно и обособленно друг от друга.

Обозначение механических смесей: ( А + В ),

или в случае твердых растворов: ( α + γ ).
Химические соединения.

Если элементы, составляющие сплав, взаимодействуют друг с другом, то образуются химические соединения. Они имеют однородную структуру (одну фазу). Химические соединения имеют постоянную температуру плавления и кристаллизации. Кристаллические решетки химического соединения и исходных элементов различаются.

В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде формулы АnВm.

Химические соединения обладают очень высокой твердостью. Например, соединение железа с углеродом Fe3C. Его твердость в 10 раз выше, чем твердость чистого железа. В отличие от твердых растворов химические соединения характеризуются высокой хрупкостью, поэтому они непригодны для механической обработки.
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния сплавов – графическое изображение фазового и структурного состояния сплавов при определенной температуре и определенной концентрации компонентов.

Диаграммы состояния сплавов строятся в координатах температура и концентрация компонентов.

В зависимости от типа взаимодействия компонентов в сплаве диаграммы состояния имеют разный вид.

Все диаграммы состояния строятся экспериментально методом термического анализа.

Метод термического анализа.

Чтобы построить диаграмму состояния, выбирают несколько сплавов различной концентрации компонентов и нагревают их выше температуры плавления до жидкого состояния. Затем опять охлаждают до комнатной температуры. В процессе охлаждения строят серию кривых охлаждения в координатах температура и время. Затем фиксируют на кривых охлаждения точки перегибов, остановки и площадки, которые соответствуют фазовым и структурным превращениям, происходящим в сплавах в процессе охлаждения. Эти точки называют критическими температурами.

Затем значения этих температур наносят на заготовку для диаграммы состояния, соединяют как геометрическое место точек и получают линии диаграммы.

Дополнительно к термическому анализу для изучения превращений в сплаве проводится изучение микроструктуры в микроскопе.

Вид диаграммы зависит от того, какой тип сплава образуется при кристаллизации – механическая смесь, твердый раствор или химическое соединение. По этому признаку сплавы делят на группы, каждая из которых имеет типичную диаграмму состояния (I , II , III и IV рода). Рассмотрим примеры каждого типа диаграммы состояния.
Диаграмма состояния I рода для механических смесей.

Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Pb   Sb. Диаграмма Pb   Sb строится на основе использования кривых охлаждения, полученных методом термического анализа (рис.6.2).

Система сплавов Pb   Sb включает в себя составы со 100% РЬ и 0 %Sb, т.е. чистый свинец, и со 100% Sb и 0% РЬ, т.е. чистую сурьму. Кривые охлаждения для этих чистых металлов имеют по одному горизонтальному участку, характеризующему температуру кристаллизации: соответственно для свинца 327°С и для сурьмы 631°С. На диаграмме состояния эти температуры находятся на осях ординат, где содержатся соответственно чистый свинец и чистая сурьма. Структура чистых металлов представляет собой однородные зерна.

Сплав, содержащий 13% Sb и 87% РЬ, также имеет один горизонтальный участок, т.е. одну критическую точку (245°С) - температуру кристаллизации этого сплава. Этот сплав характеризуется тем, что в нем происходит одновременная кристаллизация из жидкой фазы кристаллов РЬ и Sb с образованием механической смеси - эвтектики. Сам сплав с 13% Sb и 87% Рb является эвтектическим, а его микроструктура представляет собой попеременно чередующиеся выделения сурьмы в свинцовой основе (рис.6.2).


Рис.6.2. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы структур

сплавов системы Pb – Sb.
Кристаллизация любого сплава, имеющего 0% < Sb < 13%, начинается с выделения кристаллов Рb. Эти сплавы кристаллизуются в интервале температур, и на кривых охлаждения имеются две критические точки, соответствующие началу и концу кристаллизации (например, сплав с 5% Sb). Все они называются доэвтектическими сплавами, претерпевают эвтектическое превращение при охлаждении ниже температуры 245°С и имеют после окончательного охлаждения структуру Рb + Эвтектика(Рb + Sb). В этой структуре имеется две структурные составляющие: кри­сталлы Рb и эвтектика (Рb + Sb).

Кристаллизация любого сплава с концентрацией 100% > Sb > 13% начинается с выделения кристаллов Sb. Эти сплавы также кристаллизуются в интервале температур - начала и конца кристаллизации. При охлаждении ниже температуры 245°С в них протекает эвтектическое превращение. Эти сплавы называются заэвтектическими и имеют после охлаждения окончательную структуру Sb + Эвтектика (Рb + Sb). Структура заэвтектических сплавов состоит из двух структурных составляющих: кристаллов Sb и эвтектики (Рb + Sb).

Линия, ограничивающая на диаграмме область жидкой фазы сплавов, называется линией ликвидус.

Линия ликвидус – линия начала кристаллизации.

Линия, ограничивающая область полностью кристаллизовавшегося сплава от остальной области на диаграмме состояний, называется линией солидус.

Линия солидус – линия конца кристаллизации.
Диаграмма состояния II рода для неограниченных твердых растворов

Примером сплавов с такими диаграммами состояния являются сплавы системы Cu   Ni.

Если два компонента (А и В) неограниченно растворяются в жидком и твердом состоянии, то они не могут образовывать собственных кристаллов при любой концентрации этих компонентов. Соответственно при кристаллизации в этих сплавах будут выделяться кристаллы α-твердого раствора, а следовательно, максимальное число фаз в этих сплавах в твердом состоянии - одна (α-твердый раствор). В этом случае кристаллизация всех сплавов будет протекать только в интервале температур и, соответственно, на диаграмме состояния отсутствует горизонтальная линия (рис.6.3).

На диаграмме присутствуют три области: область выше линии Аа'В - жидкость; область между линиями Аа'В и Аb'В - жидкость и твердый раствор. Ниже линии Аb'В - область твердого раствора. Линия Аа'В является линией ликвидус, а линия Аb'В - линией солидус.


Рис. 6.3. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы

структур сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Диаграмма состояния III рода для ограниченных твердых растворов
Этот тип диаграмм очень важен в практическом отношении, так как часто представлен в составе сложных диаграмм широко распространенных промышленных сплавов.

В рассматриваемой системе ограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии может быть постоянной и может быть переменной. Оба рассматриваемых случая представлены на рис.6.4 (соответственно линии EN и DF). В итоге имеем диаграмму состояния с двусторонней ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

На этой диаграмме линия GCH - линия ликвидус, выше которой все сплавы находятся в жидком расплавленном состоянии. Линия GEDH -линия солидус, ниже которой кристаллизация закончена и все сплавы находятся в твердом состоянии.

В такой системе компоненты А и В не могут при затвердевании образовывать собственных кристаллов, так как они между собой образуют твердые растворы α и β Соответственно в области, лежащей слева от линии EN при кристаллизации из жидкости начинают выделяться кристаллы твердого раствора α. В интервале кристаллизации сплавы имеют двухфазную структуру (Ж + α ). После завершения кристаллизации и вплоть до окончательного охлаждения все эти сплавы имеют структуру однородного твердого раствора α. Аналогичная ситуация имеет место у всех сплавов, расположенных правее точки F, где образуются кристаллы β-твердого раствора.

У сплавов, расположенных в интервале между точкой F и проекцией точки D, первичная кристаллизация в интервале между ликвидусом и солидусом с образованием кристаллов β-твердого раствора. При этом сплавы после завершения кристаллизации вплоть до пересечения с линией DF имеют однородную структуру β-твердого раствора. При дальнейшем же охлаждении этих сплавов (например, сплава IV ниже точки 3) вплоть до полного охлаждения в структуре этих сплавов происходят изменения, связанные с выделением из β-твердого раствора второй фазы αп (например, у сплава IV), причиной появления которой является уменьшение предела растворимости β-твердого раствора при понижении температуры сплава. На это указывает наклонный характер кривой DF. При понижении температуры твердый раствор β становится пересыщенным компонентом А, и для приведения системы в равновесие из этого твердого раствора β выделяется избыток растворенного компонента А. Но так как в данной системе чистые компоненты не могут существовать как самостоятельные фазы (они должны образовывать твердые растворы), то на базе избыточных кристаллов компонента А образуется сразу же вторичный α-твердый раствор (αп), кристаллы которого и выделяются из β-твердого раствора и располагаются в виде мелкодисперсных включений внутри зерен основной фазы β. Такие избыточные кристаллы, выделяющиеся не из жидкости, а из твердой фазы, обозначаются αII (вторичные кристаллы), а сам процесс выделения новой фазы в твердом состоянии называется вторичной кристаллизацией.

Рис.6.4. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы образования структур сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии и с эвтектическим превращением
Точки Е и N характеризуют предельную растворимость компонента В в компоненте А, при эвтектической и комнатной температурах, а точки D и F - предельную растворимость компонента А в компоненте В, при эвтектической и комнатной температурах.

Как видно, предельная растворимость α-твердого раствора не изменяется с понижением температуры (линия EN - вертикальная), а предельная растворимость β-твердого раствора с понижением температуры уменьшается (линия DF - наклонная).

Точки Е и D являются границами линии ED, в пределах которой протекает эвтектическое превращение, а точка С - эвтектической точкой. Следовательно, во всех сплавах, расположенных в пределах границ эвтектической линии, будет образовываться эвтектика, аналогично диаграмме состояния I рода, но в данном случае эвтектика состоит не из механической смеси компонентов А и В, а из механической смеси их твердых растворов α и β. Соответственно, эвтектика в этом случае будет иметь вид: (α + β). Сплав с концентрацией компонентов А и В, соответствующей проекции точки С, т. е. сплав состава точки С, называется эвтектическим.

Все сплавы, расположенные между точками С и Е, называются доэвтектическими. Их кристаллизация будет начинаться с выделения кристаллов α-твердого раствора (например, сплава II в точке 1). В интервале кристаллизации (например, между точками 1 и 2) у этих сплавов будет структура (Ж + α). По линии ЕС в этих сплавах образуется эвтектика (α + β). После окончательного охлаждения Эти сплавы будут иметь структуру α + Эвтектика (α + β).

Все сплавы, расположенные между точками С и D, называются заэвтектическими. Их кристаллизация будет начинаться с выделения кристаллов β-твердого раствора (например, у сплава III в точке 1). В интервале кристаллизации (например, у сплава III между точками 1 и 2) эти сплавы имеют структуру (Ж + β). На линии CD у заэвтектических сплавов будет образовываться эвтектика (α + β).

При дальнейшем охлаждении заэвтектических сплавов в их структуре будут проходить последующие превращения, которых не было в доэвтектических сплавах. Причиной этих превращений является наклонный характер линии DF. Как уже было показано ранее, при наклонном характере кривой растворимости компонента А в компоненте В (линия DF) с понижением температуры предельная растворимость А в В становится меньше того количества А, которое в данный момент присутствует в сплаве. Поэтому из твердого раствора β будет выделяться αп. Следовательно, все заэвтектические сплавы ниже температуры эвтектического превращения (например, сплав III ниже точки 2) будут иметь следующую структуру: β + Эвтектика (α + β) + αп Эта структура содержит три структурных составляющих: β, Э(α + β) и αII.
Диаграмма состояния IV рода для химических соединений.
Такая диаграмма изображена на Рис.6.5.

Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Mg Са.

Химическое соединение (например, АnВm) характеризуется определенным соотношением компонентов (например, n% компонента А и m% компонента В). На оси концентрации компонентов (ось абсцисс) химическое соединение обозначает точку, из которой выходит вертикальная линия, фактически разбивающая диаграмму на две простые диаграммы, в которых химическое соединение выступает уже в качестве самостоятельного компонента и, соответственно, образует эвтектики с компонентом А и с компонентом В.


Рис.6.5. Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением
Кристаллизация сплавов в пределах I к II простых диаграмм проходит аналогично кристаллизации сплавов, образующих эвтектику из чистых компонентов (диаграмма I рода). Поэтому после окончательного охлаждения у эвтектического сплава на I простой диаграмме структура будет состоять только из эвтектики (А + АnВm), у эвтектического сплава на II простой диаграмме - из эвтектики (В + АnВm); у доэвтектических сплавов соответственно на I простой диаграмме и на II простой диаграмме структура будет иметь вид: А + Э (А + АnВm) и АnВm + Э (В + АnВm); у заэвтектических сплавов на I простой диаграмме - АnВm + Э (А + АnВm) и у заэвтектических сплавов на II простой диаграмме - В + Э (В + АnВm).
написать администратору сайта