Строение металлического слитка. Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей могут иметь различную форму

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей могут иметь различную форму.

Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные или древовидные кристаллы, получившие название дендритов (рис.2.6). При образовании кристаллов первоначально образуются длинные ветви- так называемые оси первого порядка (главные оси).Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах происходит зарождение и рост перпендикулярных к ним таких же ветвей второго порядка. В свою очередь на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка. Правильная форма дендритов искажается в результа­те столкновения и срастания частиц на поздних стадиях кристаллиза­ции.

Полиморфные превращения

Значительное число металлов в зависимости от температуры может существовать в разных кристаллических формах или в разных полиморф­ных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы крис­таллического тела, имеющие решетку одного типа, перестаиваются таким образам, что получается кристаллическая решетка, другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства. металлов принять обозначать буквой a,при более высокой b, а затем ¡ и т.д.

Известны полиморфные превращения Fe_a « Fe_¡ , Sn_b « Sn_a, Ti_a «Ti_b, а также Co, Mn, Ca, Li, Na и др.

Полиморфное превращение протекает благодаря переходу кристал­лического вещества (металла) в состояние с меньшей энергией Гиббса (рис.2.7).Полиморфное превращение осуществляется образованием заро­дышей и последующим их ростом в результате перехода атомов из старой модификации в новую. Зародыши часто возникают на границах исходных зерен. В результате превращения получаются новые кристалли­ческие зерна, имеющие другой размер и форму.

Переход металла из одной аллотропической модификации в другую в условиях равновесия (малой степени переохлаждения) протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла, если прев­ращение протекает при охлаждении, и поглощением тепла в случае наг­рева. Поэтому на кривых охлаждения (см. рис. 2.7) при температуре поли­морфного превращения (несколько ниже t_n ) отмечается площадка. В реальных условиях полиморфные превращения протекают лишь при значи­тельном переохлаждении (перегреве) относительно равновесной темпе­ратуры полиморфного превращения t_n.

Изменение компактности кристаллической решетки при переходе из одной полиморфной формы в другую влечет за собой изменение объема вещества и его свойств.

3.ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Под механическими свойствами металла (или другого материала) пони­мают характеристики, определяющие его поведение под действием прило­женных к нему внешних механических сил в виде статической, динамичес­кой или знакопеременной нагрузок. К механическим свойствам относят прочность сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению и пластичность способность металла к необратимой без разрушения дефор­мации (остающейся после удаления деформирующих сил).

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под дейс­твием приложенных сил. Деформация вызывается внешними силами, приложен­ными к телу, или происходящими в самом теле физико-механическими про­цессами (например, изменение объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).

Виды напряжений

В случае одноосного растяжения возникающие в теле напряжения равны. Сила Р (рис.3.1), приложенная к некоторой площадке F,обычно направле­на к ней под некоторым углом. Поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения. Различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки, которые исчезают после снятия нагрузки, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах те­ла.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднород­ным распределением деформаций (в том числе и микродеформаций) по объ­ему тела.

Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин внут­ренних дефектов металла приводит к неравномерному распределению напря­жений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (нормальные напряжения бывают растягивающими и сжимающи­ми)(рис.3.2). Действие надрезов, сделанных в образце, аналогично конфи­гурации изделий, имеющих сквозные отверстия, резьбу и т.п., или влия­нию внутренних дефектов металла (неметаллических включений, графитных выделений в чугуне, трещин и др.), нарушающих его цельность. Поэтому всевозможные надрезы, отверстия, галтели и другие источники концентра­ции напряжений называют концентраторами напряжений.

Напряжения вызываются различными причинами. Различают времен­ные, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия ; внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновеши­вающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки. Внутренние нап­ряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или ох­лаждения металла вследствие неодинакового расширения (сжатия) поверх­ностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, напряжения возникают в процессе кристаллизации, при неравномер­ной деформации, при термической обработке вследствие структурных прев­ращений по объему и т.д., эти напряжения называют фазовыми или струк­турными.

Внутренние напряжения классифицируют:

-напряжения 1 рода (или зональные),называемые также макронапряжени­ями, они уравновешиваются в объеме всего тела, возникают главным обра­зом в результате технологических процессов, которым подвергают деталь в процессе ее изготовления.

-напряжения 2 рода уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен), их называют иначе микронапряжениями. Чаще всего они возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.

-напряжения 3 рода, локализующиеся в объемах кристаллической ячей­ки, представляют собой статические искажения решетки, т. е. смещения атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки.

3.2.Упругая и пластическая деформация

Упругая деформация. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прек­ращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное, полностью обратимое смещение атомов, или поворот блоков кристалла. Поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или оттал­кивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры.

При достижении касательными напряжениями предела или порога упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольже­нием и двойникованием. Скольжение - смещение отдельных частей кристал­ла - одной части относительно другой происходит под действием каса­тельных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины.

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию напряжений сдвига , показана на рис.3.3,а.

Скольжение в кристаллической решетки протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу (t) наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между со­седними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наи­меньшая. Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольже­ния, тем выше его способность к пластической деформации.

Пластическая деформация металлов с плотноупакованными решетками К12 и Г12, кроме скольжения, может осуществляться двойникованием, ко­торое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симмет­ричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования (рис.3.3,б). Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.

3.4.Изменение структуры металлов при пластической деформации. Текстура деформации. Наклеп

Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происхо­дит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом сле­дует иметь в виду, что зерна ориентированы неодинаково, поэтому плас­тическая деформация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме поликристалла.

При больших степенях деформации вследствие скольжения зерна (крис­таллиты) меняют свою форму. Так, до деформации зерно имело округлую форму (рис.3.4). После деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рис.3.4,б). Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующихся сил по­лучила название текстура деформации.

С увеличением степени холодной деформации свойства, харак­теризующие сопротивление деформации (σ_в,σ_0,1 твердость и др.), повышаются, а способность к пластической деформации - пластичность(Y и d) уменьшает­ся (рис.3.5).Упрочнение металла в процессе пластической деформации полу­чило название наклепа.

Разрушение металлов

При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивает­ся разрушением. Разрушение состоит из двух стадий - зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (изделия).Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скопле­нию движущихся дислокации перед препятствием (границы субзерен, зерен, межфазные границы, всевозможные включения и т. д.), что приводит к концентрации напряжений, достаточных для образования микротрещины (рис.3.6).

Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение происхо­дит со значительной пластической деформацией; при хрупком разрушении пластическая деформация мала.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения тре­щины. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к ско­рости звука. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным" или "катастрофическим" разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю.

По виду микроструктуры различают разрушение транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина расп­ространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.