Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Основы металловедения и термообработки

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
10.28 Mб
Скачать

Коэффициент диффузии D (см2/с), т.е. количество вещества, диффундирующего через единицу площади 1 см2 в единицу вре­ мени 1 с при перепаде концентрации, равном единице, зависит от природы сплава, струюуры и особенно сильно от температуры.

D = D0-e-elRT,

(3)

где D0 - определяется типом кристаллической решетки; Q - энергия активации (ккал/г атом), характеризует энергию связи

атомов в кристаллической решетке; R - газовая постоянная,

8,314 Дж/моль • К; Т - температура, К.

Чем выше значение энергии активации Q, тем больше ве­ личина энергии, необходимой для перехода атома из одного равновесного положения в другое. Требуемый для такого пере­ хода избыток энергии атом получает от соседних атомов, так как они непрерывно обмениваются кинетической энергией.

Наиболее

легко диффузия протекает

по границам зерен

и скоплениям

дефектов кристаллического

строения (дислока­

ции, вакансии). Энергия активации диффузии по границам зерен (блоков) примерно вдвое меньше, чем при объемной диффузии.

2.4. Кристаллизация

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называет­ ся первичной кристаллизацией. Вторичная кристаллизация - это образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе (перекристаллизация при (а <-> Р)-превращениях, рек­ ристаллизация).

Кристаллизация состоит из двух одновременно идущих процессов - зарождения кристаллов и их роста. Кристаллы мо­ гут зарождаться самопроизвольно из расплава или расти на имеющихся в расплаве готовых центрах кристаллизации (неса­ мопроизвольная кристаллизация).

Кристаллизация происходит в условиях, когда свободная энергия кристалла меньше свободной энергии жидкой фазы (рис. 15, а). Поскольку кристаллическое состояние вещества с упорядо­ ченным расположением атомов обладает меньшей свободной энергией, чем неупорядоченное жидкое состояние, при кристалли­ зации выделяется теплота. Эта теплота компенсирует отвод тепло­ ты при охлаждении, и на кривой охлаждения образуется горизон­ тальный участок. В реальных условиях охлаждения (скоростях от­ вода тепла) начало кристаллизации происходит при каком-то переохлаждении ниже равновесной температуры (А/), которое тем больше, чем больше скорость охлаждения (рис. 15, б).

а

6

Рис. 15. Изменение свободной энергии металла в жидком (F*)

и твердом (FT) состоянии в зависимости от температуры (а) и влияние скорости охлаждения (V) на переохлаждение (А/) при кристаллизации

Образование кристаллической фазы (зародышей кристалла) уменьшает свободную энергию системы на величину, пропор­

циональную объему кристаллической фазы (-К -Л/), где Дf -

разность свободной энергии жидкого и твердого металла. Одна­ ко, вследствие образования поверхности раздела жидкой и твер­ дой фаз, свободная энергия системы возрастает на величину

площади поверхности зародыша кристалла (+5-8), где 8 - по-

верхностное натяжение. Суммарное изменение свободной энер­ гии в зависимости от размера зародыша кристаллической фазы дает величину устойчивого зародыша R^, уменьшающуюся с увеличением степени переохлаждения (рис. 16).

Рис. 16. Изменение свободной энергии металла при образовании зародышей кристалла в зависимости от их размера (а) и степени

переохлаждения (б)

Скорость кристаллизации и размер кристаллов после за­ вершения кристаллизации определяется соотношением скоро­ стей образования зародышей (Ч.З. - число зародышей в единице объема в единицу времени 1/см3-с) и скорости роста их линей­ ных размеров (С.Р. - мм/с) - рис. 17. Оба эти процесса зависят от температуры, так как связаны с перемещением атомов. С уве­ личением степени переохлаждения (Д7) уменьшается размер критического зародыша, вследствие чего возрастает число заро­ дышей и скорость их роста.

Это, в свою очередь, дает увеличение общей скорости кри­ сталлизации (V) и мелкокристаллическое строение металла. Од­ нако при очень высоких скоростях охлаждения > 106 град/с, (большие значения At) диффузионная подвижность атомов на­ столько мала (низкое значение коэффициента диффузии D), что, несмотря на большой выигрыш свободной энергии Af, кристалли­ зация не может осуществиться (4.3. = 0 и С.Р. = 0). В этом случае

металл после затвердевания сохраняет аморфное строение жид­ кого состояния (металлические стекла, аморфные сплавы).

4.3.

D

С.Р.

 

а

6

Рис. 17. Схема зависимости 4.3. и С.Р., A/j D и v (средней скорости кристаллизации) от степени переохлаждения At

Аморфные металлические материалы представляют боль­ шой интерес как материалы с высокой магнитной проницаемо­ стью и малой коорцетивной силой. Для них характерна высокая коррозионная стойкость, твердость и износостойкость.

В реальных условиях кристаллизация металла происходит при наличии готовых центров кристаллизации - частиц неме­ таллических включений, окислов, интерметаллидов, образуемых примесями. Такая несамопроизвольная (гетерогенная) кристал­ лизация происходит и на стенках формы.

Наличие готовых центров кристаллизации и примесей уве­ личивает число зародышей твердой фазы и приводит к получе­ нию мелкокристаллической структуры, так как, адсорбируясь на поверхности зарождающихся кристаллов (поверхностно­ активные примеси), они снижают скорость их роста.

На практике (кристаллизация слитков, литых заготовок де­ талей, сварных швов и т.п.) стремятся получить мелкокристал­ лическое строение металла, характеризующееся комплексом

24

более высоких механических свойств (прочность, пластичность, вязкость). С этой целью широко применяют модифицирование - введение в жидкий сплав перед разливкой специальных добавок (модификаторов): алюминий, титан, ванадий в стали; титан, цирконий в алюминиевых сплавах. Количество модификаторов незначительно - от тысячных до десятых долей процента. Подстуживание жидкого металла перед разливкой также способст­ вует получению мелкозернистой структуры металла отливок.

Образующиеся в жидком металле кристаллы растут по ден­ дритной (древовидной) схеме (рис. 18). Наибольшая скорость роста кристаллов отмечается по кристаллическим плоскостям и направлениям, имеющим наибольшую плотность упаковки атомами. В этих направлениях вырастают длинные оси первого порядка, от которых ответвляются оси второго порядка, третье­ го и т.д. Последним кристаллизуется металл в межосных зонах. Дендриты с закристаллизовавшимися межосными зонами, со­ прикасаясь друг с другом, образуют зерна, или кристаллиты.

Рис. 18. Схема дендритного кристалла (а)

и роста дендритов (б)

На границах между зернами и в межосных объемах накап­ ливаются примеси; возможно также образование пор из-за усад­ ки металла или трудностей его подвода при кристаллизации.

Макроструктура литого металла (форма и размер зеренкристаллитов) в значительной степени зависит от условий отво­ да тепла при кристаллизации. Кристаллы растут преимущест­ венно в направлении, обратном отводу тепла. Макроструктура металла типичного слитка (рис. 19) состоит из трех зон.

1

2

3

Рис. 19. Типичная

макроструктура слитка

Мелкие равноосные кристаллы поверхностной зоны / образу­ ются в условиях большого переохлаждения и наличия готовой поверхности их зарождения (поверхность формы). Это очень тонкий слой металла. Зона столбчатых кристаллов 2 образуется вследствие их преимущественного роста в направлении, обрат­ ном теплоотводу в стенки формы. Зона равноосных крупных кристаллов в центре слитка 3 образуется в условиях наименьше­ го переохлаждения и отсутствия направленного теплоотвода. В затвердевающей в последнюю очередь верхней части слитка концентрируется усадочная раковина.

3.ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

ИМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Процессы деформации и разрушения металлов при нагру­ жении определяют их работоспособность в реальных деталях. Прежде всего оценивается прочность материала. Прочностью можно назвать способность материала сопротивляться дефор­ мации и разрушению под действием внешней нагрузки.

Первые суждения о прочности любого материала мы при­ выкли связывать с его твердостью, т.е. с сопротивлением локаль­ ной деформации при вдавливании определенного индентора с определенной нагрузкой. Более полную информацию о прочно­ сти материала дают испытания образцов растяжением до разрыва.

3.1. Физические основы пластической

деформации и разрушения металлов

Как уже отмечалось, реальные металлы являются поликристаллическими веществами с высокой плотностью дефектов кристаллического строения (дефекты точечные, линейные, по­ верхностные). Однако изучение процессов деформации и раз­ рушения металлов целесообразно начать на примере идеального монокристалла.

Деформация твердого тела, как изменение взаимного рас­ положения множества частиц (атомов, ионов) и перераспреде­ ление сил взаимодействия между ними, может быть упругой (обратимой при снятии нагрузки) и пластической (необратимое изменение формы тела).

При воздействии на образец внешнего растягивающего усилия (нагрузки) Р в материале возникают напряжения нор­ мальные а и касательные т (рис. 20). При этом

a ^ P I F ,

где F - площадь поперечного сечения образца, нормального

кнаправлению действия усилия Р.

âР

Рис. 20. Распределение нормальных напряжений

в различных сечениях образца, подвергнутого растяжению:

1 - «косое» сечение; 2 - поперечное сечение; 3 - образец

Площадь всякой иной плоскости, проведенной под углом а к нормальной, будет больше, Fa = F / co sa, а напряжение в этих плоскостях - меньше:

a a =/>/ Fa = < W COSa-

При этом в «косых» сечениях возникают касательные на­ пряжения та.

та =ста •s in a = crmjlx • c o s a - sin а = ( а ^ /2 ) -sin 2 а .

Отсюда следует, что максимальная величина касательных напряжений достигается в плоскостях, расположенных под уг­ лом а = 45° к нормальной плоскости и составляет

Тшах = СТт » / 2 •

Нормальные напряжения <г вызывают увеличение меж­ атомных расстояний в направлении действия нагрузки (рис. 21) до величины Ощах, определяемой предельной силой межатомно­ го притяжения, превышение которой приводит к разрушению. Касательные напряжения т вызывают деформацию сдвигом или двойникованием (рис. 22), которая дает остаточное изменение формы тела без разрушения (пластическая деформация).

Рис. 21. Упругая деформация кристаллической решетки:

а - до нагружения; б - при нагружении

в

Рис. 22. Схема основных видов пластической деформации:

а - до нагружения; б - сдвиг; в - двойникование

При расчете теоретической прочности кристалла на сдвиг

(•Стах), как сопротивления пластической деформации, рассматри­ вают сдвиг под напряжением т одной плоскости кристалла от­ носительно другой (рис. 23), где b - расстояние между атомами в плоскости сдвига, a h - межплоскостное расстояние.

I

Рис. 23. Схема скольжения в кристалле (по Я.И. Френкелю):

а- совершенный кристалл до деформации; б - деформация сдвига

х= 'А; в - завершение сдвигах =в; г - изменение напряжения сдвига в зависимости от деформации

Состояние неустойчивого равновесия сдвигаемого атома (т = 0) соответствует деформации х = 0, 6/2, b и т.п. При дефор­ мациях х = 6/4, 36/4 и т.п. напряжение сдвига т„охЕсли принять синусоидальный закон изменения напряжения т при сдвиге и выполнении закона Гука x = G-x/h при малых смещениях х,

то, проведя соответствующие расчеты, получим максимальное напряжение сдвига

*=Gb/2nh = xJtop,

где G - модуль сдвига.