Наклеп, возврат и рекристаллизация
Свойства металлов.
Металлы характеризуются механическими, физическими и технологическими свойствами.
Физические свойства - определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, э/м, радиационных полях, (плотность, температура плавления, теплоемкость, электропроводность и др.)
Химические свойства - способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и других активных веществ (взаимодействие среды и металла - коррозия).
Технологические свойства - способность металлов и сплавов подвергаться горячей и холодной обработке.
Механические свойства - способность сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок (статические, динамические и циклические).
Основные физико-химические свойства конструкторских материалов для применения в биологии и медицине.
К физико-химическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.
Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением ρ, удельной электрической проницаемостью γ, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКρ, коэффициентом теплопроводности.
По плотности металлы разделяются на легкие и тяжелые.
К легким относят те металлы, плотность которых <5мг/м3 (Na).
К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (Fe, Cu, Ni, олово).
Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы:
R – сопротивление образца, S – площадь поперечного сечения, l – длина образца. ρ – [Ом·м].
Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта.
Величину обратную удельному электрическому сопротивлению называют удельной электрической проводимостью :
[1/Ом·м]
Удельное электрическое сопротивление металла зависит от температуры. Эта зависимость определяется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления [1/град].
Δρ – элементарное приращение сопротивления проводника, соответствующее элементарному приращению температуры ΔТ.
Средний температурный коэффициент удельного сопротивления в диапазоне температур:
ρ0, ρТ – значения ρ соответствующие температурам Т0 и Т.
Если через пластину площадью S и толщиной Δl за время t проходит тепловой поток энергии Θ, то между поверхностями противоположных граней создается разность температур ΔТ связанная с Θ соотношением:
λ – коэффициент теплопроводности.
λ прямо пропорциональна – удельной проводимости.
Физико-химические свойства диэлектрических материалов.
Растворимость, химостойкость, светостойкость, радиационная стойкость.
Растворимость. Различные материалы при соприкосновении друг с другом в процессе изготовления или эксплуатации изделий могут частично или полностью проникать друг в друга. Такой переход называют растворимостью.
Растворимость материалов повышается с повышением температуры и с повышением степени полимеризации.
Химостойкость. При соприкосновении с химически активными веществами (газами, водой, кислотами, щелочами и солевыми растворами) материалы могут вступать с ними во взаимодействие и разрушаться. Химостойкость – это способность электрически изолированных материалов противостоять химически активным веществам.
Для определения химостойкости образец помещают в среду близкую к эксплуатации, после этого определяют изменение массы, внешнего вида и других показателей.
Светостойкость – способность материалов сохранять свои эксплуатационные характеристики под действием светового облучения.
Световые и особенно ультрафиолетовые лучи могут вызвать фотопроводимость, химические изменения в некоторых органических материалах, а также стимулировать процессы, которые ухудшают их механическую прочность и эластичность. Под действием светового облучения ускоряется старение.
Радиационная стойкость – способность материалов сохранять свои эксплуатационные характеристики под воздействием ионизирующего излучения (нейтронное, α и β – излучение, γ – излучение, рентгеновское излучение).
Коррозия металлов
Разрушение металлов под воздействием окружающей среды называется коррозией.
Коррозия - это химический или электро- химический процесс.
Разрушающей средой при коррозии может быть кислород воздуха, различные газы, а также всевозможные электролиты (кислоты, щелочи, соли).
В зависимости от того, какая коррозионная среда действует на металл, различают:
- -атмосферная коррозия (под воздействием кислорода (О2) воздуха);
- газовая (под воздействием газов);
- химическая (реакция металла с сухими газами и жидкими диэлектриками, не проводящими ток (бензин, масла, смолы и т.д.);
- электро- химическая коррозия (под воздействием электролита), при этом ионы металла переходят в раствор;
- подземная (при взаимодействии с почвой);
- подводная (электро- химическая коррозия металла погруженного в жидкость);
Продукты коррозии могут быть легко обнаружены на металле (ржавчина на железе, зеленый налет на меди и т.п.) по ним можно судить о характере коррозионного процесса.
Коррозионное разрушение металла может происходить равномерно, т.е. по всей поверхности (общая коррозия) и неравномерно (местная коррозия).
Местная коррозия разделяется на следующие типы: пятнами, в виде раковинок, точечная и интеркристаллитная. Разные типы местной коррозии отличаются характером и глубиной коррозионного проникновения. Интеркристаллическая коррозия характерна тем, что коррозионное разрушение возникает по границам зерен, постепенно поражая глубинные слои металла.
При электро- химическом разрушении металла коррозионный процесс возникает в результате взаимодействия металла и электролита и заключается в переходе атомов металла в раствор в форме ионов. При погружении металлической пластинки в электролит она приобретает некоторый электрический потенциал в зависимости от природы металла и электролита. Стремление атомов металла перейти в раствор электролита определяется значением потенциала. Все металлы в зависимости от своего электро- химического потенциала располагаются в ряд напряжений. Для возникновения электро- химической коррозии необходим контакт между 2-мя металлами (электродами), наличие разности потенциалов между ними и наличие электролита.
При образовании гальванической пары всякий металл с более отрицательным потенциалом будет служить анодом, с менее отрицательным потенциалом - катодом. Например, в паре цинк-железо, цинк является анодом (будет подвергаться коррозии), а железо - катодом.
При химической коррозии под действием на металлы кислорода воздуха, они покрываются тончайшими слоями окислов. Толщина слоя в обычных атмосферных условиях очень мала и составляет 10-30 А. При высоких температурах образуется слой большой толщины.
Методы борьбы с коррозией.
Существует несколько способов борьбы с коррозией, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.
К основным методам относят: нанесение металлизированных покрытий, нанесение неметаллических покрытий, нанесение неметаллических пленок, защита металлических конструкций протекторами, применение химически стойких сплавов.
Металлические покрытия наносят разными способами: горячим, гальваническим, диффузионным, металлизацией и термомеханическим.
Горячий - изделие помещают в ванну с расплавленным металлом, который смачивает поверхность изделия (цинкование, лужение (оловом) и свинцевание).
Гальванический - в ваннах с использованием электролита. Этот способ позволяет легко регулировать толщину слоя и не требует нагрева изделия.
Диффузионный - поверхностное насыщение металла различными компонентами при высоких температурах (хром, алюминий, кремний);
Металлизация - нанесение расплавленного и не расплавленного металла, на поверхности. Для этого соответствующая металлическая проволока в специальном аппарате расплавляется газовым пламенем или электрической дугой и распыляется сильным потоком воздуха на покрываемую поверхность (железо, алюминий, медь).
Термомеханический метод - совместная горячая обработка давлением основного и защитного металла (при прокатке). Сталь защищают от коррозии латунью, алюминием, нержавейкой со сталью.
Неметаллическое покрытие - органические (лаки, краски) и неорганические (цементные покрытия, эмали).
Лаки и краски изолируют металлическую поверхность от влаги и других корродирующих факторов.
Эмали по своим физическим свойствам и химическому составу представляют собой нерастворимые силикаты типа стекла. Им характерна высокая химическая стойкость против атмосферной коррозии, воздействия воды, кислот однако эмалевые покрытия очень хрупки.
В качестве неметаллических покрытий используют резину и эбонит (гуммирование) они очень стойкие, их применяют для хранения кислот, щелочей, солей.
Неметаллические защитные пленки. Окисные пленки. Для этого широко применяют оксидирование и фосфатирование.
Оксидирование применяют для защиты черных металлов (алюминий, магний и их сплавов). Оксидирование иногда называют воронением, т.к. изделие принимает сине-черный цвет.
Фрсфатирование - образование на поверхности металла пленок состоящих из нерастворимых в воде фосфорнокислых соединений железа и марганца.
Защита протекторами. К защищаемой детали присоединяют протектор, являющийся анодом по отношению к тому металлу, из которого изготовляется деталь. Т.к. прикрепляемый металл является анодом он разрушается в коррозионной среде, а деталь остается целой (для изделий соприкасаемых с морской водой).
Наклеп, возврат и рекристаллизация.
Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.
Большая часть работы, затрачиваемая на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная часть энергии активируется в металле в виде повышенной потенциальной энергии атомов, смещенных из положения равновесия. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво. При нагреве в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации, обуславливающие возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.
Возврат.
Это повышение структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов старения.
В процессе возврата различают 2 стадии:
1) Отдых. Когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций. Избыточные вакансии и междуузельные атомы поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве. При встрече вакансии и межузельного атома они взаимно поглощаются. В процессе отдыха частично устраняются и дислокации.
2) Полигонизация – дробление кристаллов на субзерна. Для объяснения процесса предложен следующий механизм. При деформации кристалла (например изгиб) возникают дислокации, распределенные беспорядочно.
При нагреве допускающем самодиффузию, избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стенки, что приводит к образованию в монокристалле – субзерен.
Рекристаллизация.
1) Первичная рекристаллизация.
До tПР сохраняется деформированное зерно (1). При tПР в деформированном металле образуются и растут зародыши (2) новых зерен с неискаженной решеткой.
При нагреве металла не восстанавливается старое зерно, а появляется новое. Образование новых зерен (3) вместо ориентированной волокнистой структуры (1) называется рекристаллизацией обработки или первичной рекристаллизацией.
Предел прочности, а особенно предел текучести, резко снижается, а пластичность (б) возрастает.
tПР – температурный порог рекристаллизации.
Для чистых металлов tПР = 0,4 tПЛ.
2) Собирательная рекристаллизация.
После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен, за счет других (4). Процесс роста новых зерен называют собирательной рекристаллизацией. При этом предел текучести может уменьшаться. При высокой температуре (выше t’) пластичность может уменьшаться, что сопровождается сильным ростом зерна.
3) Вторичная рекристаллизация.
Зерна растущие с большой скоростью, можно рассматривать как зародышевые центры, поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен.
Размер рекристализованного зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы имеющие мелкое зерно обладают повышенной прочностью и пластичностью. В некоторых случаях требуется более крупное зерно. Величина зерна зависит от температуры рекристаллизации отжига, его продолжительности, степени предварительной деформации, химического состава сплава, размера исходного зерна.
С повышением температуры и продолжительности отжига размер зерна увеличивается.
При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15% деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер исходного зерна. Такую степень деформации называют критической. Нагрев после критической степени деформации вызывает только быстрый рост одних исходных перекрист-х зерен за счет поглощения последних. Этот процесс сходен со вторичной рекристаллизацией. При степени деформации выше критической протекает процесс первичной рекристаллизации.