Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование»




НазваниеУчебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование»
страница2/9
Дата публикации16.07.2013
Размер1.81 Mb.
ТипУчебное пособие
zadocs.ru > Право > Учебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9

^ Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема.

В монокристаллах она равна 104 … 105 см-2, у отожженных поликристаллических металлов – 106 … 108 см-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011 … 1012 см-2. Попытка увеличить плотность свыше 1012 см-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Дислокации кроме пластической деформации участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами для образования второй фазы из твердого раствора.

Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Прочность бездефектных участков (в том числе длинных и тонких нитевидных кристаллов, полученных кристаллизацией из газовой фазы) приближается к теоретической (рис. 1.5).



Рис. 1.5. Зависимость предела текучести от плотности дислокаций: 1 – идеальный кристалл без дефектов; 2 – бездефектные нитевидные кристаллы; 3 – отожженные металлы; 4 – металлы с увеличенной плотностью дислокаций после обработки
1.1.4. Поверхностные дефекты

Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

В промышленности применяют как поликристаллические, так и монокристаллические материалы. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 1.6), и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1…5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.

Границы между зернами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рис. 1.6, а). Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен или блоков.

Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзерен представляют собой стенки дислокаций (рис. 1.6, б). Угол взаимной разориентации субзерен не превышает 5 , поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси.

Рис. 1.6. Схемы строения границ : а – большеугловые; б- малоугловые

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой чередуются плотноупакованные слои АВС АВ…, а при наличии дефекта упаковки слои чередуются в последовательности АВС ВС АВС… Чередование слоев ВС… типично для кристаллов с ГПУ решеткой, и, таким образом, дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГПУ решеткой в ГЦК решетке.

Двойником называется часть кристалла, в которой кристаллическое строение является зеркальным отражением остальной части кристалла. Граница двойника разделяет такие части кристалла. Двойники могут появляться при деформации, кристаллизации, отжиге деформированных кристаллов и других процессах. При двойниковании сдвиг соседних атомных плоскостей происходит на расстояние меньше межатомного, в отличие от деформации движением дислокаций.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести т связан с размером зерен d зависимостью

,

где 0 и k – постоянные для данного материала;

d – размер зерна.

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на механические свойства размер субзерен.

Вдоль границ зерен и субзерен быстрее протекает диффузия, особенно при нагреве.
1.1.5. Объемные дефекты

К объемным дефектам относятся поры, трещины, усадочные раковины и т. п. Они имеют значительную по сравнениями с атомами протяженность во всех трех направлениях кристалла.

Трехмерные дефекты образуются как в процессе кристаллизации, так и при фазовых превращениях, деформации и других процессах.
1.1.6. Кристаллизация металла и строение слитка.

Кристаллизацией называется переход веществ из жидкого состояния в кристаллическое. Она обусловлена стремлением веществ иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала.

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и кристаллическом состояниях равны, называется равновесной температурой Тпл. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в кристаллическом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной Тпл. Разность между температурами Тпл и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, называется степенью переохлаждения:
Т = Тпл – Тк.
Поскольку жидкий металл с присущим ему ближним порядком в расположении атомов обладает большей внутренней энергией, чем твердый со структурой дальнего порядка, при кристаллизации выделяется теплота.

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной (рис. 1.7, кривая v1). На кривой охлаждения при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка при падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.




Рис. 1.7. Термические кривые охлаждения при кристаллизации чистых металлов

с разной скоростью (v1 – v3)
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые v2, v3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной температуры. Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень жидких металлов степень переохлаждения Т может быть очень велика. Так, при затвердевании олова была достигнута величина Т = 118 С. Однако чаще степень переохлаждения не превышает 10…30 С.

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого размера, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости.

При переохлаждении жидкости некоторые из них, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называются центрами кристаллизации или зародышами.

Скорость процесса кристаллизации и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением скоростей роста кристаллов и образования центров кристаллизации. Скорость образования зародышей измеряется числом зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема (мм-3с-1), а скорость роста – увеличением линейного размера растущего кристалла в единицу времени (мм/с). Оба процесса связаны с перемещениями атомов и зависят от температуры. Графическая зависимость скорости образования зародышей (с. з.) и скорости их роста (с. р.) от степени переохлаждения представлена на рис. 1.8.

Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим степеням переохлаждения, как правило, характерны восходящие ветви кривых. При равновесной температуре, когда степень переохлаждения равна нулю, скорости образования зародышей и роста равны нулю, т. е. кристаллизации не происходит.



Рис. 1.8. Изменение скорости образования зародышей с. з. и скорости роста

кристаллов с. р. в зависимости от степени переохлаждения
При небольших степенях переохлаждения, когда скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.

Образование зародышей в жидком металле по описанному механизму называется самопроизвольным. В технических металлах всегда присутствует большое количество различных примесей (окислов, неметаллических включений и т.д.), которые при определенных условиях облегчают образование зародышей. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей называется гетерогенным.

Для получения мелкого зерна используют специально вводимые в жидкий металл примеси, которое называется модифицированием, а вводимые примеси – модификаторами. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна, и в итоге улучшение механических свойств. Модифицирование чаще всего проводится введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, оксиды), кристаллизующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами образующихся при затвердевании кристаллов. При модифицировании алюминиевых сплавов в качестве модификаторов применяют Na, Ti, V, Zr; никелевых и железных сплавов – В; чугуна – Mg.

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные, или древовидные, кристаллы, получившие название дендритов (рис. 1.9).

Максимальная скорость роста наблюдается по плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви (оси первого порядка). По мере роста на осях первого порядка появляются, и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка и т. д. Дендриты растут до соприкосновения друг с другом. В последнюю очередь кристаллизуется расплав в пространстве между ветвями, и дендриты превращаются в кристаллы с неправильной внешней огранкой. Такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.



Рис. 1.9. Схема строения дендрита: 1, 2 и 3 – оси соответственно первого, второго и третьего порядков
При недостатке жидкого металла для заполнения межосных пространств, при открытой поверхности слитка или в усадочной раковине, кристалл сохраняет дендритную структуру, появляются поры. При наличии примесей нерастворимых или плохо растворимых в твердом состоянии они скапливаются в межосном и междендритном пространстве.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе получаются столбчатые кристаллиты, а при равномерном – равноосные.

Структура слитка зависит:

а) от количества и свойств примесей в чистом металле или легирующих элементов в сплаве;

б) температуры разливки;

в) скорости охлаждения при кристаллизации;

г) конфигурации, температуры, теплопроводности, состояния внутренней поверхности литейной формы.

Типичная структура слитка сплавов состоит из трех зон (рис. 1.10, а). Жидкий металл, прежде всего, переохлаждается в местах соприкосновения с холодными стенками формы. Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка тонкой зоны 1 мелких равноосных кристаллов. Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Образуется зона 2 столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленный отвод теплоты, образуются равноосные кристаллиты больших размеров (зона 3). На свободной поверхности слитка образуется усадочная раковина 4.



Рис. 1.10. Схемы макроструктуры слитков
Применяя различные технологические приемы, можно изменять количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще. Например, перегрев расплава перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводит к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (рис. 1.10, б). В месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси и такие слитки часто растрескиваются при обработке давлением.

Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металла инертными газами, вибрация, модифицирование приводят к уменьшению и даже исчезновению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков со структурой, состоящей из мелких равноосных кристаллитов (рис. 1.10, в).

Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. В результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фаз, а также при кристаллизации жидких несмешивающихся фаз возникает гравитационная ликвация по высоте слитка.

1.2. Пластическая деформация и механические свойства металлов.

1.2.1. Механические свойства металлов при статических нагрузках.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием внешних сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость и способность не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще всего применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава.

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497-73). Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рис. 1.11).



Рис. 1.11. Диаграмма растяжения металлов для условных (кривая 1) и истинных (кривая 2) напряжений: I – область упругой деформации; II – область пластической деформации; III – область развития трещин
Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений , величина которых является условной:
 = P/F0,
где P – внешняя нагрузка;

F0 – исходная площадь поперечного сечения образца.
До точки ^ А деформация пропорциональна напряжению и подчиняется закону Гука. Наклон прямой ОА характеризует модуль упругости материала
Е = /.

Физический смысл модуля упругости сводится к тому, что он характеризует сопротивление материала упругой деформации. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла, и определятся силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в широких пределах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (пц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона касательной к кривой деформации по отношению к оси напряжений увеличивается на 50 % от своего значения на линейном участке.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебное пособие разработано в соответствии с требованиями гос впо...
З 55 [Текст] : учебное пособие / Л. Б лихачева, Ю. С. Ткаченко, Воронеж гос технол акад. – Воронеж: вгта, 2011. – 128 с

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconРасчетно-графическая работа (ргр) по химии
Для направления (профиля) подготовки бакалавров 151000 Технологические машины и оборудование, 190600 Эксплуатация транспортно-технологических...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебное пособие разработано в соответствии с требованиями гос впо...
З – 55 пособие / Ю. П. Земсков, Л. Б. Лихачева, Ю. С. Ткаченко; Воронеж гос технол акад. – Воронеж : вгта, 2009. – 128 с

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconМосковский городской педагогический университет
Программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо с учетом рекомендаций и Прооп впо по направлению и профилю подготовки...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconМетодические указания и контрольные задания №3, 4 для студентов-заочников...
Если все задания выполнены без ошибок, то студент допускается к защите этих работ, которая происходит во время экзаменационной сессии...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методический комплекс дисциплины История и теория конституционализма...
Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями фгос впо по направлению подготовки

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconРабочая программа дисциплины «Практика в школе»
Настоящая программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо с учетом рекомендаций Примерной основной образовательной программы...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методический комплекс дисциплины История и теория конституционализма...
Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями фгос впо по направлению подготовки

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методическое пособие разработано на основе оригинальной авторской...
Григорьев А. В. Егэ по обществознанию. Практика – с (учебное пособие для выпускников и абитуриентов). – Изд. 2-е., переработанное....

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методическое пособие разработано на основе оригинальной авторской...
Григорьев А. В. Егэ по обществознанию. Практика – в (учебное пособие для выпускников и абитуриентов). – Изд. 3-е., переработанное....

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов