Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме




Скачать 11,06 Kb.
НазваниеМатериаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме
страница6/9
Дата03.02.2016
Размер11,06 Kb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9

3.5*. Термомеханическая обработка металлов и сплавов



В настоящем параграфе приведены сведения о тех методах воздействия на материал, которые имеются в распоряжении материаловеда,  это температура и деформация. В зависимости от сочетания этих факторов в материаловедении принято различать горячую и холодную деформацию; поведение материала при этом имеет свои характерные особенности, в связи с чем в литературе можно встретить различные термины, смысл которых кратко поясняется ниже. В частности, в материаловедческой литературе используется термин “деформация” вместо более привычного для механиков “деформирование”.

3.5.1*. Холодная и горячая деформация металлов и сплавов



Холодной считается деформация, осуществляемая при низких гомологических температурах1 . Общепринятой границы между горячей и холодной деформацией нет; в литературе можно встретить цифры 0,4...0,5. Иногда холодной называют деформацию, осуществляемую при температуре ниже температуры начала статической рекристаллизации. В дальнейшем это не будет иметь принципиального значения, поскольку сверхпластическая деформация является частным случаем горячей деформации.

После деформирования монокристаллов макроскопически бывает видна преимущественная ориентация скольжения. При испытании поликристаллических материалов, в частности малоуглеродистой стали, об ориентации скольжения и ее изменении можно судить по линиям Людерса  Чернова. Число линий скольжения растет по мере увеличения степени деформации: они начинают пересекаться с возникшими ранее, перестают быть прямолинейными.

Скольжение является одним, но не единственно возможным механизмом пластической деформации. Пластическая деформация может также осуществляться двойникованием. Деформация двойникованием является преимущественным механизмом пластического течения металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой (например, титан, цирконий, магний, цинк, висмут и др.). Однако при большой скорости и низкой температуре деформирования двойникование может наблюдаться и в металлах с ОЦК решеткой, например в железе.

При значительных деформациях кристаллиты в поликристаллическом теле стремятся принять определенную предпочтительную кристаллографическую ориентировку относительно внешних сил; в результате образуется так называемая текстура деформации. Вид текстуры и ее свойства определяются в первую очередь типом решетки и зависят от структуры, химического состава, характера и схемы деформирования. Практически важное значение текстур определяется тем, что они обусловливают анизотропию механических свойств, что является иногда нежелательным, а иногда и полезным следствием пластической деформации.

Одно из существенных явлений, наблюдаемых в деформируемых кристаллах,  это их упрочнение в результате холодной деформации, о чем можно судить по форме кривых "напряжениедеформация". Упрочнение металла при холодной пластической деформации принято называть наклепом.

Чистая медь очень мягкая, но ее можно "закалить" наклепом. Это делается отбиванием или попеременным сгибанием образца. В таком случае образуется много различных дислокаций, которые взаимодействуют между собой и ограничивают подвижность друг друга. Известен “фокус”, когда берут кусочек "мягкой" меди и легко обвивают чье-нибудь запястье в виде браслета, однако разогнуть ее становится довольно трудно, так как при навивке медь становится наклепанной. Наклепанный металл типа меди можно снова сделать мягким путем отжига при высокой температуре. Тепловое движение атомов "размораживает" дислокации и вновь создает отдельные большие кристаллы.

Когда говорят о горячей деформации, обычно имеется в виду деформирование при повышенных гомологических темепературах. Для механика это “горячая” обычно значит, что образец испытывают не при комнатной температуре, а с использованием нагревательной печи. Это представление с материаловедческой точки зрения не всегда верно. Например, для таких легкоплавких металлов, как свинец (Тпл=327 С) и олово (Тпл=232 С), температура рекристаллизации ниже нуля (для свинца 30 С, для олова 70 С). Поэтому испытание образцов из таких материалов при комнатной температуре является горячей деформацией. Горячая деформация является для материаловеда эффективнейшим средством изменения структуры материала.

Процессы, происходящие со структурой металлов и сплавов при их горячей обработке, довольно разнообразны. Они подробно описаны в специальной литературе. К сожалению, общепризнанная терминология в этой области в настоящее время пока не принята. В литературе можно встретить такие термины, как возврат, полигонизация, рекристаллизация, рост зерен, сфероидизация и др. Поясним некоторые из них.

В зависимости от температуры и продолжительности отжига в холоднодеформированном металле протекают различные структурные изменения, которые подразделяют на процессы возврата и процессы рекристаллизации.

После нагрева наклепанного металла при сравнительно низких гомологических температурах (для металлов обычной чистоты  ниже 0,3 Тпл) под световым микроскопом не наблюдаются изменения формы и размеров деформированных зерен, не обнаруживаются новые, рекристаллизованные зерна. Однако такой дорекристаллизационный отжиг вызывает заметное изменение некоторых свойств металла, а с помощью рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и других прямых и косвенных методов фиксируются изменения во внутреннем строении деформированных зерен. Рост числа дефектов кристаллического строения при наклепе приводят к тому, что свободная энергия металла растет и он приходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Длительная выдержка при комнатной температуре, а тем более нагрев, должны способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние. Уже при небольшом нагреве (до 400С для железа) происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций за счет их аннигиляции, уменьшение количества вакансий, снижение внутренних напряжений. Однако видимых изменений структуры не происходит и вытянутая форма зерен сохраняется. Совокупность любых самопроизвольных процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристаллах до начала рекристаллизации называют возвратом. Этот собирательный термин, относящийся к весьма разным по своему механизму явлениям, используют в связи с тем, что некоторые свойства наклепанного металла при дорекристаллизационном отжиге частично или полностью возвращаются к значениям свойств перед холодной деформацией.

Если возврат протекает без образования и миграции субграниц внутри деформированных зерен, то его называют возвратом первого рода или отдыхом. Если же при возврате внутри деформированных кристаллитов формируются и мигрируют малоугловые границы, то его называют возвратом второго рода, или полигонизацией.

Начиная с определенной температуры при отжиге холоднодеформированного металла происходят сильные изменения микрострукутры, которые относятся к процессу, называемому рекристаллизацией. Наряду с вытянутыми деформированными зернами даже при небольших увеличениях светового микроскопа можно различить новые, более или менее равноосные рекристаллизованные зерна. По мере увеличения времени или температуры отжига площадь шлифа, занятая новыми зернами, растет, а старые деформированные зерна постепенно исчезают.

Образование и рост зерен с более совершенной структурой, окруженных высокоугловыми границами, за счет исходных деформированных зерен той же фазы называют первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

По окончании первичной рекристаллизации, когда исчезают деформированные зерна, структура остается нестабильной из-за развитой поверхности границ рекристаллизованных зерен и неуравновешенности поверхностного натяжения на этих границах. Рост одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рекристаллизованных зерен путем миграции высокоугловых границ называют собирательной рекристаллизацией.

Различают нормальный и аномальный рост зерен. При нормальном росте размеры зерен увеличиваются без существенных изменений в их распределении (именно этот процесс иногда называют в узком смысле собирательной рекристаллизацией). При аномальном росте зерен (вторичная рекристаллизация) некоторые зерна растут непропорционально до очень большого размера за счет мелкозернистой матрицы, другими словами, рост зерен сопровождается изменениями в форме распределения. Собирательная рекристаллизация наступает после того, как выросшие центры рекристаллизации приходят во взаимное соприкосновение, и заключается в росте одних новых зерен за счет других. Вторичная рекристаллизация протекает в материале, уже испытавшем первичную рекристаллизацию, при последующем нагреве до более высоких температур.

Принято разделять процессы структурообразования на динамические и статические. Динамические процессы, например динамическая рекристаллизация или динамический возврат, происходят во время деформирования. Статические процессы, например статический рост зерен, протекают после деформирования.

Процессы структурообразования в многофазных материалах обладают своими характерными особенностями. Двухфазные сплавы, имеющие одинаковый химический состав, могут довольно сильно отличаться по своей структуре. Например, в титановых сплавах может наблюдаться пластинчатая, глобулярная или смешанная микроструктура. Отличие заключается в форме частиц второй фазы: чем больше средний коэффициент формы частиц (отношение ее максимального к минимальному размеру), тем более выражена "пластинчатость" структуры. Если коэффициент формы меньше некоторого предельного значения, например 2, структуру называют глобулярной. Сфероидизация  процесс глобуляризации пластинчатой структуры в двухфазных сплавах при их горячей обработке в двухфазной области.

3.5.2*. Термическая и термомеханическая обработка



Теория термической обработки материалов является, по существу, теорией фазовых превращений и представляет собой самостоятельную учебную дисциплину (см., например, учебник [61]).

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты после горячей или холодной обработки давлением, сварные соединения, детали машин, инструмент.

Основные виды термической обработки  отжиг, закалка, отпуск и старение.

Отжигом называют вид термической обработки, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной; отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 3  200С/ч.

Закалкой называют вид термической обработки, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения. Существуют три принципиально отличных один от другого вида закалки: закалка с полиморфным превращением, закалка без полиморфного превращения и закалка с плавлением поверхности.

Закалку с полиморфным превращением (или закалку на мартенсит) человек начал использовать задолго до нашей эры. На протяжении веков это был основной способ упрочнения сталей. Теперь закалку на мартенсит применяют не только к сталям, но и к сплавам цветных металлов.

Что дает закалка на мартенсит с точки зрения прочности стали?

Если до закалки, в отожженном состоянии, сталь с 0,8% С обладает твердостью, равной 180 кг/мм2 по Бринеллю, и пределом прочности 85 кг/мм2, то после закалки прочность ее достигает 600700 кг/мм2, а предел прочности 150 кг/мм2. Таким образом, мы имеем дело с исключительно большим упрочняющим эффектом обработки на мартенсит.

Закалка без полиморфного превращения была открыта на рубеже XX в. Ее промышленное использование началось одновременно с применением дуралюмина в авиастроении. С 2030-x гг. закалка без полиморфного превращения в сочетании со старением становится основным способом упрочнения сплавов на основе цветных металлов.

Закалка с плавлением поверхности  это новый вид термической обработки, имеющий значительно более узкое применение по сравнению с двумя первыми видами закалки. Она появилась в 70-е гг., когда в промышленности начали использовать лазерный нагрев изделий.

Основные параметры закалки любого вида  температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.

Отпуском и старением называют вид термической обработки, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда имеет целью получение более высокого уровня свойств по сравнению с отожженным состоянием: твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электросопротивления и т.д.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор (или смесь твердых растворов); в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении,  распад пересыщенного твердого раствора.

Температуру и выдержку подбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это имеет место при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин "отпуск" используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана). Термин "старение", чаще всего, используют применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

В 1906 г. немецкий инженер Альфред Вильм открыл явление естественного старения, обнаружив, что вылеживание закаленного сплава алюминия с медью и магнием (дуралюмина) при комнатной температуре приводит к повышению твердости. Вильм получил патент на способ облагораживания дуралюминов, заключающийся в закалке сплавов с последующим естественным старением, в результате которого повышаются твердость, временное сопротивление и предел текучести.

Как видно из вышеизложенного, термическая обработка может быть упрочняющей и разупрочняющей в зависимости от того, в какую сторону изменяются прочностные характеристики металла (предел прочности, предел текучести и т.п.). Разупрочняющая термическая обработка (отжиг)  универсальный способ устранения наклепа. Упрочняющая термическая обработка  мощный, но не универсальный способ изменения структуры кристаллических материалов. Эффективна только для материалов, в которых при изменении температуры происходят какие-либо фазовые превращения. В связи с этим металловеды делят все материалы на два больших класса: термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Типичные примеры неупрочняемых термообработкой материалов  это медь и никель. В этих металлах вообще нет никаких фазовых переходов. Их ГЦК решетка стабильна от 0 K до Tпл, поэтому одна термообработка не может изменить их свойства. Типичным примером упрочняемых термообработкой материалов являются стали. Благодаря структурным изменениям (Fe  основа стали  является полиморфным металлом) термообработкой так упрочняют сталь, что она может резать ту же сталь в неупрочненном состоянии. Эффективность упрочняющей термической обработки хорошо иллюстрирует приведенный выше пример с закалкой стали.

Одна из фундаментальных технологий в машиностроении  обработка резанием  оказывается возможной именно вследствие того, что структура материала определяет его механические свойства.

Термомеханическая обработка (ТМО) это совокупность выполненных в одном технологическом цикле в различной последовательности операций пластического деформаирования, нагрева и охлаждения сплавов, испытывающих фазовые превращения. Особенность ТМО заключается в том, что одновременное воздействие деформирования и термической обработки создает особое структурное, а часто и фазовое, состояние сплавов, отличающееся высокой прочностью и повышенной пластичностью. Изменяя последовательность операций деформации и термической обработки и их конкретные режимы (степень, скорость и температуру деформации, скорость нагрева и охлаждения, продолжительность изотермических выдержек и др.), можно управлять структурой и свойствами в широком диапазоне значений.

1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме icon-
Современная Русская публицистика не обходит вниманием "украинскую тему". Однако, касаясь тех или иных ее частных сторон, с загадочным...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме iconК урокам обобщения по русскому языку
Процесс обучения представляет в настоящее время сложную, методологически развивающуюся деятельность в системе «ученик – учитель»,...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме icon«Развитие эмоционально чувственного опыта у детей через театрализованную деятельность»
«Все дети, решительно все, рождаются талантливыми в той или иной области искусства. Бездарность ребёнка всегда результат воспитания,...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме iconНаучный метод исследования религии
Наука же в своих исследованиях религии опирается на эмпирический материал, фактические данные, полученные на основе непосредственных...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме iconПредисловие от переводчиков
Для множества фигурирующих в книге Гейтса понятий в русском языке еще нет устоявшихся терминов, и мы оказались вынуждены взять на...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме iconПредварительные усилители и фильтры
Эти решения защищены не только патентами. В них используют заказные микросхемы, маркировка типовых элементов уничтожается, принципиальные...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме icon«Преемственность в работе доу и школы» (2ч)
Преемственность- это специфическая связь м/у разными этапами развития, сущность которой состоит в сохранении тех или иных элементов...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме iconЗадача годового курса (40 лекций + 40 семинарских занятий) ознакомить слушателей с теоретическими основами современной механики деформируемого твердого тела (мдтт),
Мдтт, показать единое целое механики конструкций и механики материалов, задачи моделирования, технологических задач, оптимального...
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме iconЗначимость конфессиональных отношений в стабилизации современных социальных процессов
Она может выступать как фактор возникновения, формирования и легитимизации тех или иных форм социальных действий, социальных отношений....
Материаловеды и механики живут какой-то обособленной жизнью. Причина отсутствия взаимодействия кроется не в характере тех или иных ученых и не в снобизме iconПаспорт проекта наименование проекта
И теперь возникла большая необходимость её заполнить. Наше сегодняшнее желание знать, какой же была народная игрушка, как ею играли,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница