Глава 1. Кристаллическое строение металлов (стр. 3 )

Рекристаллизация - это диффузионный процесс, и поэтому сильно зависит от температуры.

При нагреве в металле идут следующие процессы:

1) отдых металла (возврат первого рода);

2) возврат второго рода (полигонизация);

3) первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки);

4) собирательная рекристаллизация;

Отдых металла (возврат первого рода). Наблюдается до 0,2 Тпл Ко. При этом подвижность приобретают точечные дефекты (вакансии и дислоцированные атомы) и происходит уменьшение плотности этих дефектов. Механические свойства и структура не меняются, но некоторые физические свойства, такие как электропроводность, полностью восстанавливаются, хотя изменений в микроструктуре нет.

Возврат второго рода (полигонизация). Наблюдается при температурах до 0,3 Тпл, Ко. При этом подвижность приобретают дислокации. Полигонизация идет только в изогнутых кристаллах, где наблюдается избыток дислокации одного знака (рис. 3.6,а). После деформации дислокации распределяются произвольно, статистически. При нагреве они приобретают подвижность и выстраиваются в ряды - стенки (субграницы), образуя как бы многоугольник (polygon - многоугольник) (рис. 3.6,б). В результате получаем полигональную структуру. При дальнейшем повышении температуры субзерна растут. Далеко зашедшая полигонизация есть начальная стадия рекристаллизации.

Рис.3.6. Схема полигонизации в деформированном металле

Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки). Наблюдается при более высоких температурах, например для чистых металлов (0,3...0,4) Тпл, Ко. При этом приобретают диффузионную подвижность атомы и наблюдаются изменения в микроструктуре, то есть наряду с вытянутыми деформированными зернами появляются равноосные рекристаллизованные зерна - это температура начала рекристаллизации Тн р. (рис. 28).

Рис.3.7. Микроструктуры после деформации (а) и рекристаллизации (б)

При повышении температуры количество равноосных зерен увеличивается, а деформированных уменьшается. Температура, когда полностью исчезают деформированные зерна, называется температурой конца рекристаллизации Ткр. Равноосные зерна имеют более совершенное кристаллическое строение и более низкую плотность дислокаций.

В деформированном металле образуются зародыши рекристаллизованной фазы. У них энергия на 10% ниже, а вокруг энергия на 10% выше, и эти зародыши самопроизвольно растут с понижением энергии. В результате после рекристаллизации получаем структуру с равноосными рекристаллизованными зернами (рис. 3.7,6).

Образование и рост равноосных зерен с более совершенным кристаллическим строением, окруженных высокоугловыми границами, за счет деформированных зерен той же фазы называется первичной рекристаллизацией. Зародышами для рекристаллизации являются более крупные субзерна с более совершенным кристаллическим строением.

Рекристаллизация - это диффузионный процесс, и поэтому сильно зависит от температуры. Температура начала рекристаллизации определяется по формуле Тнр=α Тпл (Температуры в градусах Кельвина), где α - коэффициент, зависящий от химического состава и структуры, для чистых металлов, α = 0,3 ...0,4; для твёрдых растворов α = 0,5...0,6.

Температура начала рекристаллизации зависит от:

а) продолжительности отжига. В сильно деформированном металле с увеличением времени отжига Тнр понижается и через 1…2 часа достигает постоянной величины.

б) степени деформации. С увеличением ее Тнр понижается.

в) наличия примесей. Чем чище металл тем ниже Тнр.

Собирательная рекристаллизация.

После первичной рекристаллизации мы получаем мелкозернистую структуру. При дальнейшем нагреве эти зёрна самопроизвольно растут более или менее равномерно. При этом поверхность границ зёрен, а следовательно, и энергия Гиббса, уменьшаются. Уровень механических свойств после рекристаллизации зависит от размера зерна. С увеличением температуры и времени отжига размер зерна увеличивается и КС понижается. Кроме того, размер зерна зависит от степени пластической деформации. εкр для разных металлов находится в пределах от 3 до 15%.

При деформации со степенью обжатия меньше εкр рекристаллизация не идет, так как степень обжатия небольшая и заметных изменений в микроструктуре еще нет. При деформации с обжатием выше εкр в металле идет рекристаллизация, причем чем больше степень обжатия, тем больше возникает зародышей, размер зерна уменьшается.

При εкр мы получаем самое крупное рекристаллизованное зерно, что приводит к резкому охрупчиванию металла. С повышением температуры отжига диффузионная подвижность атомов возрастает и размер рекристаллизованного зерна увеличивается, а εкр уменьшается. На рис. 3.8 показано изменение механических свойств при рекристаллизации.

Рис.3.8. Влияние нагрева на механические свойства металла упрочнённого холодной деформацией.

Т1, - перегрев за счет собирательной рекристаллизации. Зерна укрупняются, и при этом резко падает ударная вязкость;

Т2 - пережог идет процесс окисления по границам зерен, и механические свойства ухудшаются катастрофически.

3.3. Холодная и горячая пластическая деформация.

Холодная пластическая деформация проводится при температурах ниже Тн р ; при этом всегда есть наклеп. Для снятия наклепа надо провести рекристаллизационный отжиг.

Горячая пластическая деформация проводится при температурах выше Тн р. Если скорость деформации выше скорости рекристаллизации, то наклеп полностью не снимется, и наоборот.

Глава 4. ТЕОРИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

Чистые металлы находят ограниченное применение, так как обладают невысокой прочностью; обычно применяют сплавы. Их получают сплавлением металлов, либо металла с неметаллом, а также методами порошковой технологии.

4.1. Основные понятия теории сплавов.

4.1.1. Компонент, фаза, чистые химические элементы.

Компоненты – элементы, образующие сплав.

Компоненты сплава при взаимодействии образуют фазы. Фаза – это однородная часть сплава, по составу, структуре и свойствам, отделенная от других частей границей раздела. При переходе через границу резко меняются строение и свойства. Сочетание и взаимное расположение фаз, формируемых при охлаждении сплава, образуют его структуру.

Основные фазы в сплавах:

·  жидкая фаза. Большинство компонентов металлических сплавов в жидком состоянии полностью растворяются друг в друге, образуя жидкий раствор или расплав.

·  твёрдые растворы,

·  химические соединения.

Кроме того, фазами могут быть чистые химические элементы, например углерод (графит) в серых чугунах.

4.1.2.Твёрдые растворы, виды твёрдых растворов. Условия образования твёрдых растворов.

Твёрдый раствор – фаза, в которой сохраняется кристаллическая решетка основного компонента (растворителя). По характеру расположения растворенных атомов в кристаллической решетке растворителя различают:

·  твердые растворы замещения;

·  твердые растворы внедрения.

В твёрдых растворах замещения атомы растворенного компонента (В) располагаются в узлах кристаллической решетки, замещая атомы основного компонента (А). Такие растворы образуются между металлами. Они могут быть неограниченной и ограниченной растворимости.

Условия образования неограниченных твердых растворов:

·  одинаковый тип кристаллической решётки компонентов;

·  различие в атомных размерах компонентов не более 8…15%;

·  расположение элементов в одной и той же или соседних группах таблицы Менделеева.

Твердые растворы внедрения образуют металлы с неметаллами малого атомного радиуса – C, N,B, H. Твёрдые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость.

Твёрдые растворы обозначают α, β, γ, например, α=А(В) - твердый раствор компонента В в А.

4.1.3. Химические соединения.

Химические соединения – фазы, которые имеют свою кристаллическую решетку, отличающуюся от решеток компонентов. Это определяет резкое отличие свойств соединений от свойств образующих его компонентов. Для химических соединений характерны высокая твёрдость, хрупкость, высокая температура плавления и др.

Валентные соединения имеют постоянный состав, соответствующий законам нормальной валентности. Это могут быть соединения между металлами (интерметаллиды), а также соединения металлов с неметаллами: MgS, Al2O3, Ni3Ti, и др.

Фазы внедрения образуют переходные металлы с неметаллами малого атомного радиуса (Rнм/Rм<0,59), например, карбиды и нитриды: Mo2C, TiC, Fe4N, VN и др. Фазы внедрения отличаются от твёрдых растворов внедрения более высокой концентрацией неметалла и простой кристаллической решёткой типа К8, К12, Г12. Фазы внедрения тугоплавки и обладают высокой твёрдостью. Их используют в легированных сталях и сплавах для упрочнения.

Электронные соединения – это химические соединения с определённой электронной концентрацией, т. е. отношением числа валентных электронов к числу атомов. Наиболее распространены соединения с электронной концентрацией 3/2: СuZn, CuBe; 7/4: CuSn3 и 21/13: Cu5Zn8 и др. Их используют как упрочняющие фазы в сплавах меди.

4.2. Диаграммы фазового равновесия (диаграммы состояния)

Фазовое состояние сплавов зависит от концентрации компонентов и температуры, при которой находится сплав. Для изучения фазового состояния сплавов пользуются диаграммами фазового равновесия (диаграммами состояния), которые строятся в координатах «температура–концентрация компонентов». Линии диаграммы показывают температуры фазовых превращений, области диаграммы – фазовый состав сплавов в условиях равновесия. Ниже рассмотрены основные типовые диаграммы состояния, характерные для металлических сплавов.