Материаловедение

1. Различие между холодной и горячей пластической деформацией.

Деформацией называется изменение  размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации различают на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов на значительные рассстояния от исходных положений равновесия.

Способность металлов пластически  деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.

Упрочнение металла при  деформировании называют наклепом. В  результате холодного пластического деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства. Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличивается  прочностные характеристики (твердость, временное сопротивление, предел текучести, предел упругости) и понижаются пластичность и вязкость. Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является

предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3-7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь, никель, а алюминий упрочняется незначительно).

С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое  сопротивление, коэрцитивная сила, понижаются магнитная проницаемость, остаточная индукция и плотность металла.

Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения  плотности, что служит причиной появления  остаточных напряжений – как растягивающих, так и сжимающих.

Наклепанные металлы легче  корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию.

Образование текстуры деформации вызывает анизотропию свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методоми холодной обработки давлением.

Снижение пластичности при  наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.)

Неравновесная структура, созданная  холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25⁰ С. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

Процессы, происходящие при  нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделении

ем теплоты и уменьшением  свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3Т_пл), рекристаллизация – при более высоких(0,7-0,75Т_пл).

Возвратом называют все изменения  тонкой структуры и свойств, которые  не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяется.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен  с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего  равноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых  и полигонизацию.Отдых в при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее  в зависимости от температуры. Холодное деформирование  проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование проводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если ректисталлизация не устраняет наклеп. То он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет  наклеп.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением  размера зерен вязкость улучшается. Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформациии от температуры, при которой происходила рекритсталлизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Сверхпластичное состояние металла проявляется при горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5-10мкм). При низких скоростях деформирования (10^-5 – 10^-1с^-1) металл течет равномерно, не упрочняясь, относительные удлинения достигают 10² – 10³%.

Огромные деформации в  сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен. Для того, чтобы реализовать сверхпластичное состояние, требуется не только получить ультрамелкие зерна, но и сохранить эту структуру в течение всего периода деформирования при температуре выше 0,5Т_пл (порядка десятков минут). В однофазных сплавах зерна твердого раствора успевают вырасти за это время так, что сверхпластичность теряется. Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов обеих фаз 1:1; при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелкозернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу таких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные смеси, двухфазные сплавы титана и т.п.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность процесса формования и сравнительно высокие рабочие температуры, процесс выгоден, а в ряде случаев является единственным способом получения изделий, когда металл нужно без разрушения деформировать на 200-300% и выше.

 

 

 

 

 

2. Начертить диаграмму состояния железо-цементит с указанием во всех ее областях фаз и стуктурных составляющих. Рассмотреть формирование структуры при охлаждении из жидкого состояния сплава, содержащего 2,2%С. В произвольной точке этого сплава между линиями ликвидус и солидус определить содержание углерода в фазах и их количество.

 

Рисунок №1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доэвтектический чугун с содержанием С=2,2%

а – 1 простое охлаждение жидкости

1 – 2 Ж_1-2 – А_1-2 – происходит кристаллизация  аустенита, жидкость превращается в аустенит

2 – 3 А_2-3 + Ц_2-3=Л – образуется ледебурит

Т3 а)достигая этой точки чугун состоит из перлита и цементита, которые образуют ледебурит

      б)после окончания, чугун состоит из ледебурита

       Ниже  точки 3 превращений нет.

Определим содержание углерода в фазах и их количество.

 Q – общее количество сплава(100%); Q_Ф – количество феррита; Q_А – количество аустенита

Q_А /Q = ac/ bc                      bc=58 мм  ac=35 мм    ab=22 мм

Q_Ф /Q = ab/ bc

Вычислим

Q_А /100% = 35/58 → Q_А = 60,34 %

Q_Ф /100% = 22/58 → Q_Ф = 37,93 %

 

Железо и углерод –  элементы полиморфные.

Железо с температурой плавления 1539⁰С имеет две модификации –α и γ. Модификация  Fe _α существует при температурах до 911⁰С и от 1392 до 1539⁰С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм ( при температуре 20-25⁰С). Важной особенностью Fe _α является его ферромагнетизм ниже ттемпературы 768⁰С, называемой точкой Кюри.

Модифификация Fe_γ существует в интервале температур от 911 до 1392⁰С и имеет ГЦК решетку, которая более компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при  переходе Fe _α в Fe_γ объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_γ парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой  жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C характеризует фазовый состав и превращения в системе железо-цементит (6,69%С). Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице 1.

 

Обозначение точки на диаграмме	Температура, 0С	Концентрация углерода, %
А	1539	0
H	1499	0,1
J	1499	0,16
B	1499	0,51
N	1392	0
D	1260	6,69
E	1147	2,14
C	1147	4,3
F	1147	6,69
G	911	0
P	727	0,02
S	727	0,8
K	727	6,69

Таблица – 1. Характерные  точки диаграммы состояния железо-цементит.

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D- температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах  системы Fe-Fe₃C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии.Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL). Цементит, выделяющийся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющийся из аустенита, - вторичным; цементит, выделяющийся из феррита, - третичным. Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES – линией вторичного цементита; PQ- линией третичного цементита. В системе железо-цементит происходят три изотермических превращения:

Перитектическое превращение на линии HJB (1499⁰С)

Ф_н + Ж_в A_j;

Эвтектическое превращение  на линии ECF (1147⁰С)

Ж_с;

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727⁰С)

А_s

Эвтектическая смесь аустенита  и цементита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом.

Эвтектоид – перлит (содержит 0,8%С) и эвтектику – ледебурит (4,3% С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие , оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей : σ_в=800÷900 МПа;  σ_0,2=450 МПа;  δ≤16%; HB 1800-2200. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, а при температуре 20-25⁰С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (HB 6000) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.