Лекция 2. Практическое занятие 2.

Упругая и пластическая деформация. Явление наклепа. Рекристаллизация и ее влияние на строение и свойства металлов и сплавов. Рекристаллизационный отжиг. Упругая деформация - исчезает после разгрузки. Под действием внешней силы меняется расстояние между атомами. (Пружины, мет. Линейка). Пластическая деформация - остается после снятия нагрузки. Одни части кристаллов смещаются относительно друг друга, изменяют форму зерна. (Алюминиевая, медная проволока).

Хрупкая деформация – (разрушение) наступает при определенной нагрузке и характеризуется полным или частичным разрушением образца. (Стекло).

Все материалы под действием внешней нагрузки испытывают деформации, т.е. изменение геометрической формы и размеров. Деформация подразделяется на 3 стадии, которые проходят во всех материалах последовательно – упругая, пластическая и хрупкая.

Прочность материалов – сопротивление материалов деформации и разрушению.

Прочность металлов – основная характеристика металлов, сплавов и других материалов. Определяет возможность использования материала в тех или других условиях. Измеряется в кгс/см². (Или Паскалях. 1кгс/см² =100кПа = 0,1МПа. Т.е. 1МПа = 10кгс/см²). На практике, для наглядности, хорошо представлять прочность образцов проволоки, нитей и т.д. сечением 1мм². При этом получается, что 1кгс/см² = 0,01кгс/мм², поскольку 1см² = 100мм². 1МПа = 10кгс/см² = 0,1 кгс/мм².

Твердость по Бринелю (шар диаметром 10мм, 3000кгс; 5мм-750кгс).

По Викерсу (алм. пирамидка с углом между гранями 136^о и разной нагрузкой. Соотношение между нагрузкой и площадью отпечатка).

По Роквеллу (алм. конус 120^о при вершине. Радиус 0,2мм. Нагрузка: НRС – 150 (10+140) или НRА – 60кгс (10+50). Глубина отпечатка.

Теоретическая прочность – сопротивление деформации или разрушению при идеальной структуре. Усы. Длина до 10мм, толщина от 0,5 до 2,5 мкм.

Техническая прочность на 2-3 порядка ниже теоретической из-за наличия дефектов.

Техническая прочность – реальная прочность материала, которая выражается границей пропорциональности σ _0,05 , границей текучести σ _0,2 и границей прочности σ_в.

Граница пропорциональности σ _0,05 – максимальная нагрузка, при которой остаточная деформация не превышает 0,05%.

Граница текучести материала σ _0,2 - нагрузки, которые вызывают остаточную деформацию до 0,2%.

Граница прочности σ_в - наибольшие нагрузки перед разрушением.

Расчеты на прочность при статических нагрузках проводят по границе текучести σ _0,2, величина которой означает максимально допустимые нагрузки.

Наклеп или нагартовка - укрепление металла под действием пластической деформации. (См. кривую Одинга). Деформация осуществляется перемещением дислокаций. Дислокации, которые двигаются, порождают сотни других, поэтому плотность дислокаций возрастает, увеличивая прочность. Под действием нагрузки зерно не измельчается, а лишь меняет форму. При этом снижаются пластичность и вязкость. При очень высоких степенях деформации происходит хрупкое разрушение материала. Наклепанный металл не стойкий, хотя при комнатной температуре может сохраняться очень долго. (Прокатка листов - возникновение анизотропии механических свойств, например твердости, вдоль и поперек листа).

(Рекристаллизация – процесс возвращения к исходным свойствам металла. Нагревание приводит к увеличению движения атомов и перестройке структуры, которое и приводит к возвращению его исходных свойств. При этом происходит образование новых зерен. Процесс начинается после нагревания до определенной температуры. (Пример – весенняя хрупкость льда).

Рекристаллизация происходит в две стадии:

1 - возвращение строения и свойств металла, которые были до деформации. Начинается при довольно низкой температуре – 0,2Т_пл (температура плавления, выраженная в градусах Кельвина).

(Шкалы температур Цельсия и Кельвина).

При этом уменьшаются внутренние напряжения, частично устраняются дефекты кристаллической решетки. Несколько снижается механическая прочность и увеличивается пластичность.

2 - зарождение новых центров кристаллизации происходит при дальнейшем нагреве до ~ 0,4Т_пл. около центров образуются новые зерна с правильной кристаллической решеткой. Старые зерна не восстанавливаются. При дальнейшем росте температуры и длительной выдержке осуществляется рост одних кристаллов за счет других.

(Метод выращивания монокристаллов полупроводников – «поедание» мелких кристаллов более крупными).

Рекристаллизационный отжиг – нагрев металла до температуры выше 0,4Т_пл и выдержка до полного завершения всех преобразований (без фазовых превращений) и обновление структуры и свойств.

Горячая обработка давлением - пластическая деформация при температуре выше температуры рекристаллизации, при которой упрочнение и наклеп металла если возникают, то сразу снимаются динамической рекристаллизацией. Холодная обработка давлением - пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации. Пример – ковка различных металлов (сталь, алюминий).

Строение сплавов. Виды взаимодействия компонентов: механическая смесь, химическое соединение, твердый раствор. Диаграмма состояния сплавов. Сплавы - вещества, полученные сплавлением в жидком состоянии двух или более компонентов. (Использование в практике чистых веществ редкость. Примеры – медь, алюминий.)

Свойства сплавов определяются химическим составом и внутренним строением (структурой). Причем изменение структуры часто приводит к существенным изменениям свойств сплавов.

(Стали. Механическая обработка, а затем закалка). Используются и другие способы приготовления сплавов – спекание, электролиз, сублимация.

Система сплавов – совокупность всех сплавов из заданных компонентов (с содержанием от 0 до 100%). Состояние системы зависит от внешних условий, т.е. от температуры и давления. Как правило, давление постоянно, поэтому изменения происходят при изменении температуры.

Простая система – одно вещество. Сложная – 2 и больше.

Фаза – однородное состояние вещества, которое имеет границу раздела, при переходе через которую физико- химические свойства скачкообразно изменяются. Т.е. фаза это однородная часть системы, имеющая границу или поверхность раздела, которая четко отделяет одну фазу от другой. Фазы могут быть жидкие, твердые и газообразные.

Компоненты – элементы, которые образуют систему. Компонентами могут быть чистые металлы (или другие химические элементы), а также химические соединения, которые не диссоциируют (не разлагаются) в данном интервале температур.

Пример простой системы – вода и лед при 0^оС. Компонент один – вода, фазы две жидкая и твердая.

Виды взаимодействия компонентов в сплавах. 1. Механическая смесь – смесь кристаллов обоих компонентов, которые сберегли свою кристаллическую решетку и свойства. Состоит из компонентов, которые не образовывают химическое соединение и не растворяются один в другом. (Pb-Sb). Свойства:

а) два типа зерен; б) две кристаллические решетки; в) переменный химический состав - сплав возможен при разных концентрациях компонентов;

2. Твердый раствор замещения имеет одну кристаллическую решетку, при этом атомы одного из компонентов частично замещают атомы другого. Могут иметь неограниченную растворимость если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а различие атомных диаметров не превышает 8% (медь – никель). Если разница атомных диаметров больше 8 – 15%, то образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью. (Медь – цинк, медь – олово). Свойства: а) один тип зерен; б) одна кристаллическая решетка - основного компонента; в) переменный химический состав.

3. Твердый раствор проникновения: атомы одного компонента располагаются между атомами другого, основного. Как правило, второй компонент не металл и имеет атомарные размеры не более 1Å. Такие растворы, растворяясь в металлах, образуют углерод, азот, водород, бор. Свойства: а) один тип зерен; б) одна кристаллическая решетка - основного компонента; в) переменный химический состав.

4. Химические соединения характеризуются образованием новой кристаллической решетки, в которой упорядоченно расположены атомы обоих компонентов. (Na, Cl - соль NaCl). Свойства: а) один тип зерен; б) одна кристаллическая решетка нового типа; в) постоянный химический состав - соотношение чисел атомов отвечает стехиометрической пропорции (определенным соотношением количества атомов компонентов).

Фазы проникновения. Это химические соединения, которые образуются при соединении металлов с неметаллами, с размерами атомов не более 1Å. Например, с углеродом – карбиды, с азотом – нитриды, с водородом – гидриды, с бором – бориды.

Они напоминают твердые растворы проникновения, но, в отличие от растворов, образуют новый тип кристаллической решетки с определенным размещением металлов и неметаллов. Они, как и любые химические соединения, характеризуются точным соотношением количества атомов. (Fe₃C, AlN, TiC ).

Диаграмма состояния - график, который изображает состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. По оси ординат – температура в градусах С, по оси абсцисс – концентрация компонентов в %.

Строится на основе термического анализа – по анализу кривых охлаждения.

Пример кривой охлаждения. Пример кривой диаграммы состояния.

Верхняя линия - ликвидус - начало кристаллизации, выше ее сплав в жидком состоянии. Нижняя - солидус - конец кристаллизации, ниже ее сплав в твердом состоянии.

Диаграммы состояния сплавов показывают начало и конец кристаллизации сплавов, их фазовый состав при разных температурах, а также концентрацию фаз и их массовое соотношение при любой температуре.

Поскольку в твердом состоянии могут образовываться разные виды двойных сплавов, то и диаграммы состояний будут разных типов.