Пути повышения прочности, и пластичности, металла
Увеличение прочности металла повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин. Реально достигнутая прочность металла (техническая прочность) значительно ниже теоретической.
Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны бы иметь материалы согласно физическим расчетам сил сцепления в твердых телах. Низкая прочность (сопротивление деформации) металла объясняется легкой подвижностью дислокации. Следовательно, для повышения прочности или необходимо устранить дислокации или повысить сопротивление их движению. Сопротивление их движению дислокации возрастает при взаимодействии их друг с другом и с различного рода другими дефектами кристаллической решетки, создаваемыми при обработке металла.
Дефекты кристаллической решетки оказывают на сопротивление металла деформации двоякое влияние. С одной стороны, образование в металле дислокации ослабляет металл, с другой стороны, дефекты кристаллического строения упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокации. На рис.3.7 показано влияние количества дефектов (плотности дислокации) на прочность металла.
Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокации А, приближенно оцениваемой – 10 6 -10 8 см -2 . Эта величина относится к отожженным металлам. Если количество дефектов (плотность дислокации) не превышает величины А, то уменьшение их содержания резко увеличивает сопротивление деформации. Прочность в этом случае быстро приближается к теоретической.
В настоящее время удалось получить кристаллы размером 2-10 мкм и толщиной от 0,5 до 2,0 мкм, практически лишенные дефектов кристаллической решетки (дислокации). Эти нитевидные кристаллы, названные английскими учеными «усами» (whisker), обладают прочностью, близкой к теоретической. Отсутствие дефектов в усах объясняется условиями их роста и малыми размерами. Увеличение размера усов сопровождается резким снижением прочности. При толщине более 0,25 мкм усы железа по прочности не отличаются от технического железа.
Механические свойства при статических испытаниях
К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. На рис.3.8 кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений , величина которых является условной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца (F0).
Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений S, величина которых является истинной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент.
Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (sп.ц). 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, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.
Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% (или еще меньше) от первоначальной длины образца.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %, называют условным пределом текучести (σ0,2).
Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение и относительное сужение:
где l0 и lk — длина образца до и после разрушения; F0 и Fk — площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.
ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ
Чистые металлы обладают низкой прочностью и в ряде случаев не обеспечивают требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому в технике их применяют редко. Наиболее широко используют сплавы.
Сплавы получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллом. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Вещества, образующие сплавы, называются компонентами.
Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов и образовывать одну или несколько фаз.
Фазой называется физически и химически однородная часть системы (металла или сплава), имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.
В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.
Твердые растворы
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.
Различают твердые растворы замещения (рис. 4.1,а) и твердые растворы внедрения (рис.4.1,б). При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Атомы растворенного компонента могут замещать любые атомы растворителя.
При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.
При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается и периоды ее изменяются. При образовании твердого замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает. В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки , атомы больших размеров — в растянутой зоне решетки , при образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости; в области дислокации чужеродным атомам легче размещаться, чем в совершенной области решетки, где они вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажений решетки, что предопределяет их устойчивость. Выход или отрыв атомов из атмосферы Коттрелла требует значительной энергии.
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении следующих условий:
1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.
2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать определенной величины — для сплавов на основе меди до 14-15 %, а для сплавов на основе железа до 9 %.
3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим обладать близким строением валентной оболочки электронов в атомах.
Твердые растворы внедрения могут возникнуть только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик. Поэтому твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (например, в железе, молибдене, хром и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77A), азота (0,71 А), водорода (0,46 А), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.
Упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры). В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al, Fe-Si, Ni-Mn и др.), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке. Такие твердые растворы получили название упорядоченных твердых растворов или сверхструктур. Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств.
Химические соединения
Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерными особенностями химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, отличающими их от твердых растворов, являются следующие:
1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы в решетке химического соединения располагаются упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента расположены закономерно и по определенным узлам решетки. Большинство химических соединений имеет сложную кристаллическую структуру.
2. В соединении всегда сохраняется кратное массовое соотношение элементов. Это позволяет выразить их состав простой формулой АnВm, где А и В — соответствующие элементы; n и m — простые числа.
3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.
4. Температура плавления (диссоциации) постоянная. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.
Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью являются соединения магния с элементами IV-VI групп периодической системы и др. Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Химическая связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая.
Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, имеют некоторые особенности, отличающие их от типичных химических соединений: так, некоторые из них не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава .
4.3.Фазы внедрения.
Переходные металлы Fe, Mn, Сг, Мо и др. образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. элементами с малым атомным радиусом, такие соединения, как карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют много общего в строении и свойствах; часто их называют фазами внедрения.
Фазы внедрения имеют формулу: M4X(Fe4) , M2x(Fe2N), MX(TiN) и др. Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rm). Если Rx/Rm
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Повышение — пластичность — металл
Повышение пластичности металла при нагреве отчасти объясняется тем, что при более высоких температурах увеличивается тепловое движение атомов, уменьшающее сопротивление скольжению в кристаллических решетках. Однако повышение температуры вызывает рост пластичности в металле не только вследствие уменьшения сопротивления скольжению, а также вследствие возникновения в нагретом металле особого вида пластичности, не связанной с процессом скольжения, и называемой термической пластичностью. Сущность термической пластичности заключается в следующем. [1]
Для повышения пластичности металла после наклепа, полученного в результате пластической деформации, применяют рекри-сталлизационный отжиг. Промежуточному отжигу при вальцовке подвергают заготовки толстостенных обечаек барабанов паровых котлов. Обычно рекристаллизационный отжиг для ускорения процесса проводят при температурах выше температуры рекристаллизации. Так, если железо и низкоуглеродистые стали имеют порог рекристаллизации 450 С, то их подвергают рекристаллизацион-ному отжигу при 650 — 700 С. [2]
Если нарастание напряжений опережает повышение пластичности металла , пока он находится в опасном интервале температур, называемом температурным интервалом хрупкости, возникают межкристаллические разрушения — горячие трещины. Если же процесс нарастания напряжения происходит тогда, когда металл уже прошел твердо-жидкое состояние и приобрел достаточную прочность и пластичность, то возникшие напряжения лишь вызовут пластическую деформацию и образования горячих трещин не произойдет. [3]
С увеличением количества плоскостей скольжения связано повышение пластичности металла . Реальные металлы состоят из множества монокристаллов или зерен, ориентированных во всевозможных направлениях. Такое строение называется поликристаллическим или многозернистым. [4]
Широко известно, например, что повышения пластичности металла швов на хромистых феррптных сталях можно достичь за счет ограничения в их составе примесей элементов внедрения. Снижение содержания углерода до 0 016 % и азота до 0 013 % в 12 о-ном хромистом наплавленном металле значительно повышает его пластические и вязкие свойства в интервале от нормальной температуры до 150 С, а также сопротивляемость зарождению и распространению холодных трещин. [5]
Предварительную и промежуточную термообработку производят с целью повышения пластичности металла , уменьшения числа переходов без макро — и микротрещин и надрывов, получения заданных механических свойств и структуры готовой детали. [6]
Более полная реализация этих запасов может быть достигнута путем повышения пластичности металла ЗТВ , даже если это достигнуто за счет некоторого снижения прочностных свойств основного металла. [7]
При газовой сварке стали термическая обработка служит также средством повышения пластичности металла шва . В этом случае участки шва нагревают пламенем горелки до светло-красного цвета каления и в этом состоянии проковывают. При этом зерна металла измельчаются, а его пластичность и вязкость повышаются. После проковки металл шва необходимо подвергнуть нормализации, нагревая его пламенем горелки. Во избежание появления наклепа проковку следует прекращать при остывании металла да темно-красного цвета. [8]
К наиболее прогрессивным методам нагрева стальных заготовок, способствующим повышению пластичности металла при деформации, увеличению производительности труда и снижению потерь металла, относится индукционный нагрев. [9]
При такой технологии обеспечивается своевременное снижение остаточных сварочных напряжений и повышение пластичности металла , что в свою очередь эффективно снижает возможность образования трещин в сварных соединениях как при монтаже, так и в процессе эксплуатации трубопроводов. [11]
Рассмотренные схемы напряженного состояния металла при холодной прокатке труб хотя и способствуют повышению пластичности металла , однако одними лишь ими нельзя объяснить высокую степень деформации, достигаемую при данном процессе. Большое значение, если не основное, имеет дробность деформации или число рабочих циклов, за которое исходное сечение деформируется в конечное сечение. [12]
Для увеличения сопротивляемости сварных соединений из низколегированных сталей горячим трещинам, а также повышения пластичности металла шва применяют методы сварки и технологические приемы, способствующие рафинированию металла шва, а также оптимальные системы легирования. [13]
Можно считать, что повышение температуры, как правило, ведет к понижению прочности и к повышению пластичности металлов . Это объясняется тем, что связь между атомами металла и сплава с повышением температуры ослабляется. Температурный уровень жаропрочности сплавов в основном определяется тремя факторами: прочностью межатомной связи, температурой плавления и структурой сплава. [14]
Источник
