Лекции по материаловедению «Термообработка металлов и сплавов»

Термическая обработка - технологический процесс, включающий нагрев металла, выдержку его при определенной температуре и затем охлаждение до комнатной температуры для достижения желаемых свойств.

Температура нагрева отличается в зависимости от типа обработки и используемого материала. График показывает диапазон температуры нагрева при различных видах термообработки сталей.

Отпуск применяется для закаленных сталей для снижения хрупкости, уменьшения остаточных напряжения и увеличения пластичности. Твердость и прочность уменьшаются, а пластичность возрастает с увеличением температуры отпуска.

Цвета, появляющиеся на поверхности стали, как результат окислительного процесса, отличаются при различных температурах отпуска. Цвет может быть использован как индикатор для того, чтобы достичь желаемых свойств.

Для нелегированной углеродистой стали максимальная твердость зависит от содержания углерода. Скорость охлаждения - важный параметр закалки. Увеличение интенсивности охлаждения стали приводит к ее большей твердости.

Скорость охлаждения зависит от типа охлаждающей среды, а также размеров и геометрии детали. Самое быстрое охлаждение можно достичь в воде, более медленное в маслах и самая медленная скорость охлаждения - на воздухе. Перемешивание охлаждающей среды сдерживает образование слоя пара на поверхности детали в воде и масле и, таким образом, достигается более высокая скорость охлаждения.

Круглый стержень, охлаждаемый с одного конца, будет иметь различную твердость по его длине, т.к. при этом изменяется интенсивности охлаждения. Прокаливаемость характеризует скорость этого преобразования.

Твердость стали с высокой прокаливаемостью будет изменяться по длине стержня менее быстро, чем твердость стали с низкой прокаливаемостью. Легирование увеличивает прокаливаемость сталей за счет того, что легирующие элементы способствуют образованию мартенсита.

Старение (дисперсионное твердение) включает три стадии:

1. Сплав нагревают выше линии сольвуса ab и выдерживают до тех пор, пока не будет сформирован гомогенный твердый растворa.

2. Сплав быстро охлаждают, чтобы сохранить пересыщенный твердый раствор.

3. Сплав снова нагревают для осаждения очень маленьких кристаллов b фазы.

Старение сплавов, состав которых расположен слева от точки a, неосуществимо из-за невозможности образования пересыщенного твердого раствора.

Отжиг часто используется для смягчения металла, подвергнутого пластическому деформированию, для дальнейшего формование. Комбинируя волочение и отжиг, из толстой проволоки может быть получена очень тонкая проволока.

Самая малая повторяющаяся единица структуры в кристалле называется элементарной ячейкой. Геометрия и положение атомов в пределах элементарной ячейки определяют структуру кристаллических материалов. Три длины ребер (a, b, c) и внутренние углы (a, b, g) используются для описания геометрии единичной ячейки. В зависимости от величины a, b, c и a, b, g определяют семь кристаллических систем координат и четырнадцать возможных элементарных ячеек (решетки Бравэ).

Некоторые из атомов в пределах элементарной ячейки могут принадлежать нескольким смежным ячейкам. Поэтому, для вычисления числа атомов в элементарной ячейке мы должны рассмотреть следующие вклады для частицы согласно ее положению:

- Атомы, расположенные в центре грани, считают как 1/2;

- Атомы, расположенные в центре ребер, считают как 1/4;

- Атомы, расположенные в углах, считают как 1/8

В примитивной кубической ячейке число атомов в элементарной ячейке = 1;

в объемноцентрированной кубической = 2;

в гранецентрированной кубической = 4.

Коэффициент заполнения = (Объем атомов)/(Объем элементарной ячейки).

Для примитивной кубической ячейки – коэффициент заполнения = 0.52;

для объемноцентрированной кубической (ОЦК) - 0.68;

для гранецентрированной кубической ячейки (ГЦС)- 0.74

Для определения кристаллографических направлений (индексов направлений) по осям [uvw] в элементарной ячейке необходимо:

1. Найти проекции вектора на три оси в единицах элементарной ячейки.
   A - 1,0,1;

B - 0,1/2,1;

C -0,1,1/2;
D - 1/2,1,0;

E - 1,1,0;

F - 1,1/2,0.

2. Привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целых чисел. A - [101];   B - [012];   C - [021];  D - [120];   E - [110];   F - [210].

Плоскость в пределах кристалла определяется индексами Миллера (кристаллографические индексы). Для определения кристаллографических индексов (hkl) плоскости необходимо:

1. Найти координаты пересечения плоскости по трем осям в единицах элементарной ячейки.

2. Определить обратные величины этих значений.

3. Привести их к наименьшему целому, кратному каждому из полученных чисел.

Существует два главных типа плоскостных (двухмерных) дефектов реальных кристаллов, которые называются дислокациями – краевая дислокация и винтовая дислокация. Дислокация - резкое изменение порядка атомов вдоль линии. Дислокации перемещаются по плоскости скольжения. Величина и направление скольжения определяются вектором Бюргерса, b. Для краевой дислокации направление скольжения перпендикулярно направлению дислокации. Для винтовой дислокации направление скольжения параллельно направлению дислокации.

При пластической деформации металла смещение атомов происходит по плоскостям (как показано на рисунке) в направлении максимальной плотности атомов. Плоскости и направления скольжения образуют системы скольжения. Если существует много систем скольжения, тогда деформирование кристалла может происходить относительно легко и, такой металл является пластичным. ОЦК кристаллические структуры имеет до 48 систем скольжения. ГЦК кристаллические структуры имеет 12 систем скольжения. Кристаллические структуры, имеющие гексагональную плотную упаковку (ГПУ), имеют только 3 системы скольжения. Соответственно, большинство металлов с ГПУ кристаллической структурой (Мг, Zn, Be) менее податливы, чем металлы с ОЦК (W, Fe, K) или ГЦК (Cu, Al, Ni) структурой.

Расстояние между атомами меняется в зависимости от кристаллографических направлений. Это определяет анизотропию механических и физических свойств кристалла. Поэтому образцы, вырезанные из монокристалла в различных направлениях, будут иметь различные значения модуля упругости. ГЦК и ОЦК металлы имеют

наибольший модуль упругости в направлении [111], в то время как

наименьший - в направлении [100]. Реальные материалы состоят из множества хаотично ориентированных монокристаллов, что приводит к изотропии их свойств.

Некоторые материалы могут существовать в формах с различной кристаллической структурой при одном и том же химическом составе (полиморфизм). Это можно продемонстрировать на примере чистого железа, которое имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) ячейку при комнатной температуре и гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру при 911 oC. Это изменение сопровождается уменьшением объема, так как структура ГЦК более плотно упакована, чем ОЦК решетка. Вторичная трансформация от ГЦК к ОЦК происходит при температуре 1392 oC.

Механические свойства материалов, в основном, определяются при испытании образцов на растяжение. Растягивающая нагрузка постепенно увеличивается и, регистрируется значение нагрузки и соответствующее ей удлинение образца. Для того чтобы сравнить результаты, полученные при испытании образцов различной длины, используются понятия напряжений идеформаций.

Напряжение, s = P/A   [Н/м2=Па]

Где P - сила, приложенная к образцу;

A – площадь поперечного сечения образца.

Деформация, e = Dl/lo • 100%   [%]

где Dl = l - lo; l - текущая длина образца;

lo - первоначальная длина;

Основные механические свойства материала могут быть определены из диаграммы напряжение-деформация, полученной при испытании на растяжение.

Для определения предела текучести материала по диаграмме напряжение-деформация необходимо:

1. Найти точку 0.002 = 0.2 % на оси деформаций

2. Нарисовать линию, параллельную участку упругого деформирования.

3. Значение напряжения, соответствующее пересечению данной линии и кривой напряжение-деформация, и есть предел текучести материала.

Предел прочности определяется как максимальное значение напряжения, достигнутое при испытании на растяжение. 
Пластичность материала может быть описана следующими характеристиками:

Относительное удлинение = (lf - lo)/lo • 100%
Относительное сужение площади поперечного сечения = (Af - Ao)/Ao • 100%

где индексы o и f соответствуют начальному и конечному (после разрыва) значениям этих величин.

Мера жесткости материала определяется модулем упругости. Он определяется по начальному участку кривой напряжение-деформация в пределах линейно упругого деформирования. При упругом деформировании образец возвращается к своим первоначальной форме и размерам после разгрузки. Модуль упругости, s/e   [Па] Сопротивление деформации материала увеличивается с увеличением модуля упругости.

Рассмотрим испытание, при котором материал нагружается выше предела текучести. После разгрузки напряжение снижается по линии, параллельной участку упругих деформаций на диаграмме напряжение-деформация.

При этом исчезает (восстанавливается) только упругая деформация. Предел текучести пластически деформированного материала выше, чем его начальное значение. При повторном нагружении материал деформируется упруго до достижения нового напряжения текучести. Необходимо отметить, что модуль упругости материала остается постоянным.

Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Обычно испытания на твердость проводятся путем вдавливания небольшого индентора - тела определенной геометрической формы - в поверхность испытуемого материала.

Рисунок показывает схему испытания на твердость по Бринеллю. В общем случае, твердость пропорциональна пределу прочности материала, поскольку оба параметра характеризуют сопротивление материала пластическому деформированию.

Молекулярная структура полимеров может быть линейная, с поперечными связями или сетевая (с большим количеством поперечных связей). Термопласты имеют линейную или разветвленную структуру.

Термопласты размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении без изменения свойств. Это позволяет повторно использовать отходы термопластов. Полимеры с поперечными связями называются реактопластами. При нагревании реактопласты остаются относительно твердыми и не могут быть подвергнуты переработке без химической деградации.

При температуре плавления происходит резкое изменение удельного объема (величина обратная плотности) кристаллических материалов. Плотность чистых аморфных материалов изменяется при температуре стеклования. Это влечет за собой существенные изменения механических свойств материала. Как правило, ниже температуры стеклования полимеры жесткие и хрупкие, в то время как при температурах выше температуры стеклования они становятся податливыми и пластичными. Полукристаллические полимеры обладают промежуточными свойствами, характерными для кристаллических и аморфных материалов, которые включают определенную температуру плавления и небольшое изменение плотности при температуре стеклования. Обычно, для термопластов и реактопластов температура стеклования выше комнатной температуры, в то время как для эластомеров температура стеклования ниже комнатной температуры. Эластомеры могут выдерживать большой деформации (до нескольких сотен процентов) без разрушения и восстанавливаться в форме и размерах при снятии нагрузки.

Медленное охлаждение приводит к более высокой степени кристаллизации полукристаллических полимеров. Степень кристаллизации (доля кристаллической фазы) влияет на механические свойства. Модуль упругости кристаллической фазы существенно выше, чем аморфной фазы. Как правило, чем выше степень кристаллизация, тем выше модуль упругости и прочность материала.

Механические свойства термопластичных полимеров сильно зависят от температуры испытания и скорости деформации. Полимер становится более податливым и пластичным с увеличением температуры. Как правило, уменьшение скорости деформации имеет такое же влияние на соотношение напряжение-деформация, как и повышение температуры.

Влияние температуры на механические свойства полимеров отличается для термопластов и реактопластов. В отличии от термопластов реактопласты не проявляют свойств вязкой жидкости. Они разрушаются и разлагаются при высокой температуре.

Вязкоупругое поведение характерно для аморфных полимеров при температурах выше температуры стеклования. При этом существует временная задержка между приложением напряжения и возникновением соответствующей деформации. Вязкоупругая деформация – это комбинация деформации вязкой жидкости и упругой деформации твердого тела.

Горячее формование – это процессы, при которых металл деформируется при температурах выше температуры рекристаллизации без возникновения деформационного упрочнения (наклепа). Обычно, горячее формование выполняют при температурах 0.5-0.75 от температуры плавления (в градусах Кельвина). Заметим, что формование свинца при комнатной температуре может рассматриваться как процесс горячего формования из-за низкой температуры плавления свинца.

Металл

Al

Cu

Fe

Pb

Mg

Ni

Ti

Температура плавления T, oK

933

1356

1805

600

923

1728

2068

Модуль упругости однонаправленного композита вдоль направления армирования (укладки волокон) может быть рассчитан по правилу смеси:

Ec = EfVf + EmVm,

где Ef - модуль волокна; Em - модуль матрицы; Vf , Vm – относительное объемное содержание волокон и матрицы, соответственно.

Слоистый композит с ортогональным армированием [0o/90o], показанный на рисунке справа, будет коробиться при приложении одноосного растягивающего напряжения из-за различия модуля упругости вдоль и перпендикулярно оси волокон. Жесткость материала в направлении укладки волокон выше и, поэтому слой композита с волокнами, расположенными параллельно приложенному напряжению, будет растягиваться меньше, чем слой, нагруженный поперек волокон.

Модуль упругости композитов с непрерывными волокнами зависит от угла между направлением волокон и приложенной нагрузкой. Максимальная жесткость композита проявляется при приложении нагрузки параллельно оси волокон. Жесткость слоистых композитов с взаимно пересекающимися волокнами [+q/-q] выше, чем у однонаправленных композитов, благодаря дополнительному ограничению сдвиговых деформации.

Чем выше объемное содержание волокон Vf однонаправленных волокнистых композитов, тем выше их способность выдерживать циклическую нагрузку. Сопротивление усталости композитов существенно зависит от угла между направлением приложенной нагрузки и осью волокон. Долговечность композита уменьшается при увеличении данного угла.

Прочность композитов с короткими волокнами увеличивается при увеличении отношения длины волокна к диаметру l/d. Поскольку количество дефектов зависит (помимо прочего) от диаметра волокна, прочность волокна определенной длины возрастает с уменьшением диаметра волокна. Для заданного объемного содержания волокон более длинные волокна несут большую долю нагрузки, приложенную к композиту.

Остаточные напряжения возникают при охлаждении слоистых композитов с ортогональным армированием из-за анизотропии термической усадки параллельно и перпендикулярно направлению армирования. В композитах стеклянные волокна/эпоксидная матрица коэффициент теплового расширения вдоль оси волокон ниже, чем перпендикулярно волокнам. При охлаждении, слои с укладкой волокон 90o растягиваются, а слои с волокнами, расположенными под углом 0o, сжимаются. Как правило, трещины образуются перпендикулярно растягивающим напряжениям.

Известно, что композиты имеют высокую удельную прочность, которая определяется как отношение предела прочности на растяжение sв к плотности материала r•g.

Удельная прочность композитов с непрерывными волокнами намного выше, чем у обычных материалов, таких как алюминий или сталь.

Нагрузка, приложенная к волокнистым композитам, распределяется между волокнами и матрицей. Соотношение между нагрузкой, передающейся на волокна Pf и матрицу Pm , зависит от отношения EfVf к EmVm:

Pf / Pf = EfVf / EmVm ,

где Ef, Em, Vf и Vm - модули упругости и объемное содержание компонентов композита.

Чем выше модуль упругости и объемное содержание волокон, тем большую нагрузку несут волокна.

Если предположить, что между волокнами и матрицей отсутствует скольжение, тогда напряжение в композите определяется следующим образом:

s = sfVf + smVm

где Vf и Vm – объемное содержание волокон и матрицы, соответственно.
Напряжение в матрице:

sm = sf • Em/Ef .

Напряжение в волокнах:

sf = s / [Vf + (1-Vf) • Em/Ef] .

Для заданного уровня напряжений, чем выше объемное содержание волокон, тем меньшее напряжение действует в волокнах.

Типичная структура литейного слитка состоит из трех зон:

1. Зона быстрого охлаждения - несколько слоев мелкодисперсных равноосных кристаллов около стенок изложницы.

2. Зона столбчатых кристаллов - ориентированные кристаллы, растущие в направлении, противоположном направлению теплоотвода через стенки изложницы.

3. Зона равноосных кристаллов – равноосные неориентированные кристаллы больших размеров в центре слитка.

В зависимости от условий заливки и материала пропорция зон столбчатых и равноосных кристаллов в слитке может меняться. Медленное охлаждение, добавление зародышеобразующих агентов и перемешивание расплава увеличивает протяженность зоны равноосных кристаллов. Расширенная зона столбчатых кристаллов характерна для чистых металлов.

Чем больше отношение объема к площади поверхности, тем медленнее слиток охлаждается и затвердевает.

Время затвердевания слитка может оценить по уравнению Хворинова:

TS = B·(V/A)2,

где V - объем; A - площадь поверхности;

B – коэффициент затвердевания.

Модели часто имеют уклоны на боковых поверхностях, параллельных направлению извлечению. Это позволяет легко извлекать модель без повреждений и разрушения полости литейной формы. Угол уклона составляет обычно 0.5-2o. Угол зависит, главным образом, от параметров литейного процесса и используемых материалов.

Материалы с небольшим температурным диапазоном кристаллизации (например, чистые металлы или эвтектические сплавы) имеют тенденцию к образованию больших концентрированных усадочных раковин (справа). Отливки сплавов с большим температурным диапазоном охлаждения имеют пористость, распределенную по всему объему материала.

Жидкотекучесть – это способность материала в расправленном состоянии течь и заполнять полости литейной формы перед затвердеванием. Жидкотекучесть чистых металлов и эвтектических сплавов выше, чем у доэвтектоидных и заэвтектоидных сплавов.

Прибыли используются для компенсации усадки залитого металла при затвердевании и избежания формирования усадочных раковин в отливке. Усадочные раковины формируются в прибыли, потому что это самая верхняя часть слитка, твердеющего в форме. Прибыли обычно расположены в центре наиболее массивных секций отливок. Прибыль должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать усадку в отливке. Металлы имеют различную усадку, которая и влияет на размер прибылей.

Усадка при отвердевании,
%

Al

Cu

Mg

Zn

Стали

6.6

4.9

4.0

3.7

2.5-4.0

Металл

Mg

Al

Ti

Zn

Fe

Pb

Cu

Ag

Hg

Au

Emf (V0)

-2.34

-1.67

-1.63

-0.76

-0.44

-0.13

0.34

0.79

0.86

1.50

Если два металла электрически соединены и погружены в раствор их собственных ионов, значение электродного потенциала определяет, какой из материалов будет корродировать. Железо растворяется в электролите, потому что железо имеет электродный потенциал (-0.44 V) ниже, чем у меди (0.34 V). Соответственно, медь осаждается на катоде. Величина действующего напряжения равна:

DV = V1 - V2 = 0.34 - (-0.44) = 0.78 V

Гальваническая коррозия возникает, когда разнородные металлы помещены вместе в электролит (например, морскую воду). В результате один из металлов становится анодом и корродирует быстрее, чем обычно. Другой металл является катодом, и скорость его коррозии уменьшается. Гальванический ряд полезен для выбора материалов, которые будут использоваться в соединениях. Металлы внизу таблицы более активны (аноды) и корродируют быстрее, чем материалы находящиеся выше. Кроме того, чем ближе расположение металлов в таблице, тем ниже скорость коррозии их соединений.

Скорость коррозии зависит от отношения площадей анодных и катодных областей. Когда площадь анодной области меньше, чем катодной, то коррозионный процесс ускоряется. Соответственно, скорость коррозии меньше, когда большой анод соединен с меньшим катодом.

Болт, находящийся под постоянной нагрузкой, корродирует быстрее, чем в отсутствии нагрузки. Это происходит из-за наличия областей материала с концентрацией напряжений, являющихся анодными к областям с более низким напряжением. Совместное действие приложенного растягивающего напряжения и агрессивной окружающей среды является причиной растрескивания деталей (образования сетки трещин).

Области металлов, подвергнутых холодному деформированию, имеют много дислокаций и поэтому постоянно находятся под напряжением. Эти области являются анодными по отношению к менее напряженным областям и корродируют быстрее.

Доступ кислорода к области под прокладкой ограничен и поэтому его концентрация низкая. Эта область является анодом по отношению к областям со свободным доступом кислорода, что ускоряет коррозию.

Для заданного числа циклов нагружения влияние коррозийной среды на усталостную прочность металлов увеличивается при уменьшении частоты. Это означает, что конструкции, нагруженные при низкой частоте, будет выдерживать меньшее количество циклов до разрушения при данном уровне напряжений. На рисунке показаны усталостные кривые для углеродистой стали, полученные при испытаниях в различных средах.
При циклическом нагружении в коррозионной среде все металлы и сплавы не имеют предела выносливости. Это означает, что конструкция, эксплуатируемая в таких условиях, в конце концов разрушится, даже если приложенное напряжение очень низкое.