книги / Основы металловедения и термообработки
..pdfКоэффициент 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.