Полный и неполный отжиг

Во многих случаях решающим для поведения материала помимо его механических свойств является величина зерна. Последняя может колебаться после отжига в чрезвычайно широких пределах.

Так, в листовом материале, идущем для глубокой вытяжки и давильных работ, где к поверхностным свойствам предъявляются высокие требования, стремятся получить зерно со средним диаметром 0,02-0,03 (0,04) мм. В противном случае, поверхность в сильно деформированных участках получается шероховатой, так как отдельные кристаллиты претерпевают различную деформацию и образуют поэтому рельеф.

Если лист поступает в дальнейшую прокатку это обычно почти не имеет значения: считают даже, что грубозернистый лист обрабатывается лучше. Однако подобное представление основывается главным образом на высоком удлинении и хороших характеристиках при испытании такого материала на продавливание, и неосновательно потому, что заключение об обрабатываемости материала, а следовательно и о способности его к глубокой вытяжке, недопустимо на основании только определения удлинения или глубины продавливания. Грубозернистый материал хуже полируется, так как он требует снятия значительного поверхностного слоя, прежде чем поверхность его станет снова плоской. Подобным же образом обнаруживается грубое зерно при обработке прутков, труб и т.д.

Существуют, с другой стороны, некоторые специальные области, например производство ламп накала, где предпочтителен грубозернистый металл, в данном случае тонкая проволока, с длинными, распространяющимися по всему или половине сечения, кристаллами.

По некоторым причинам, связанным с рекристаллизацией и укрупнением зерна, часто наблюдается, что материал полностью или отчасти приобретает структуру из крупных кристаллов размером в несколько миллиметров или сантиметров. Такая структура является вредной для многих целей. Так, при прессовании или при ковке между большими кристаллами легко образуются трещины.

Внутри зерна феррита нет сильных препятствий скольжению. Поэтому сопротивление его деформации течения создают границы зерна, и чем мельче зерно феррита, тем выше предел текучести. Чем больше деформация, тем больше препятствий создают внутри зерна сами следы скольжения и тем меньше влияет размер зерна на сопротивление течению.

Поэтому предел прочности зависит от размера зерна феррита слабее, чем предел текучести. У мартенсита столь сложная субзеренная структура, что в ней границы зерна исходного аустенита - препятствие пренебрежимо слабое. Прочность мартенсита от величины зерна не зависит. Перлит, сорбит, бейнит - двухфазные структуры. Их прочность определяется, прежде всего, температурой образования (дисперсностью цементита), а не величиной зерна исходного аустенита.

Если разрушение вязкое, то на деформацию до разрушения величина зерна почти не влияет. Но в условиях, например, хладноломкости хрупкое транскристаллитное разрушение (скол) распространяется по одной кристаллографической плоскости через всё зерно, то есть чем зерно феррита крупнее, тем сильнее концентрация напряжений от рассёкшей его фасетки скола и тем сталь более хрупкая.

Так же сильно влияет зерно исходного аустенита при граничной хрупкости, вызванной ослаблением границ от собирания на них примеси. Тогда вскрыть грань зерна - зернограничную фасетку - тем легче, чем зерно крупнее (чем больше концентрация напряжений у его границ).

11.. Что такое теоретическая и техническая прочность металлов? Чем

объясняется существенное различие в их величинах?

Различают теоретическую и техническую прочность металла. При определении теоретической прочности предполагают, что исследуемый монокристалл имеет идеальную кристаллическую решетку, деформируется до момента разрушения упруго и разрушается хрупко, без пластической деформации.

Техническая, или наблюдаемая, прочность определяется непосредственно экспериментом на реальных образцах со всеми присущими им дефектами.

Деформации материалов и их разрушению противодействуют силы межатомных связей, от величины и характера которых в первую очередь зависит прочность любого тела. Расчетом можно с известной степенью точности определить величину силы связи между атомами, а также минимальную теоретическую прочность при разрушении путем отрыва.

Проведем примитивный расчет теоретической прочности. Принимаем, что разрушение при отрыве происходит без пластической деформации и энергия расходуется только на образование двух новых поверхностей при отрыве, т. е. на увеличение поверхностной энергии. Таким путем мы получим явно заниженное значение, так как энергия будет расходоваться и на другие процессы.

Исходя из таких соображений, М. Поляни еще в 1921 г. разработал метод определения теоретической прочности кристаллических тел. Он предположил, что для хрупкого разрушения нужно удалить один слой атомов от другого на величину межатомного расстояния.

Как видим, наблюдаемая техническая прочность иногда в сотни раз меньше теоретической. Чем же объяснить такое явление? Главными причинами того, что показатели технической прочности далеко не достигают соответствующих теоретических значений, являются: наличие дефектов кристаллического строения металлов и сравнительная легкость развития пластической деформации.

Несовершенства кристаллического строения металлов несомненно снижают большую прочность поликристаллов, так как скопления их создают очаги, где в первую очередь, уже при небольших приложенных усилиях начинается разрушение. К тому же для большинства металлов пластическое течение начинается при напряжениях, которые в несколько раз ниже теоретических. Может показаться, что само определение теоретической прочности ошибочно и не представляет практического интереса. На самом деле это не так. В специальных условиях удается выращивать нитевидные монокристаллы многих металлов, в том числе и железа, с правильным кристаллическим строением, близким к идеальному. Эти кристаллы, часто называемые в литературе «усами», имеют диаметр несколько микрометров и длину - несколько миллиметров. Нитевидные кристаллы, отличающиеся почти идеальной правильностью строения, показали при испытаниях на растяжение весьма высокую прочность. Для чистых металлов были получены следующие значения о, кГ/мм²: Fe -1337; Cu-311; Ag-176; Zn-225. Эти значения сравнимы с теоретическими. Из сопоставления теоретической и технической прочности становятся очевидными неисчерпаемые возможности повышения прочности металлов и сплавов.

Таким образом, ознакомление с особенностями строения металлов показывает, что их свойства определяются следующими основными факторами:

1. характером и величиной сил связей между атомами;

2. типом решетки, в которой кристаллизуется данный металл;

3. наличием несовершенств структуры, их количеством и типом;

4. формой и размером зерен;

5. составом и свойствами межкристаллитных прослоек.

12. Чем определяются свойства металлов?

Характерные физические свойства металлов находятся в
связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям,
кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных
электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе
представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в
промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны
постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного,
то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже
под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в
определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается и
высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны
постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому
колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания,
сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое
состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую
температуру.

13.В чем отличие упругой деформации от пластической?

Деформа́ция (от лат. deformatio — «искажение») — изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое механическое напряжение.

Деформации разделяют на обратимые (упругие) и необратимые (пластические, ползучести). Упругие деформации исчезают после окончания действия приложенных сил, а необратимые — остаются. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положения равновесия (другими словами, атомы не выходят за пределы межатомных связей); в основе необратимых — необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия (то есть выход за рамки межатомных связей, после снятия нагрузки переориентация в новое равновесное положение).

Пластические деформации — это необратимые деформации, вызванные изменением напряжений. Деформации ползучести — это необратимые деформации, происходящие с течением времени. Способность веществ пластически деформироваться называется пластичностью. При пластической деформации металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств — в частности, при холодном деформировании повышается прочность.

Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки (то есть тело возвращается к первоначальным размерам и форме), и пластической, если после снятия нагрузки деформация не исчезает (или исчезает не полностью).

Все реальные твёрдые тела при деформации в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, то есть не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела (предел упругости).

Природа пластической деформации может быть различной в зависимости от температуры, продолжительности действия нагрузки или скорости деформации. При неизменной нагрузке, приложенной к телу, деформация изменяется со временем; это явление называется ползучестью. С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и упругое последействие. Одной из теорий, объясняющих механизм пластической деформации, является теория дислокаций в кристаллах.

14. Назовите основные типы дислокаций.

Подробное изучение линейных дефектов кристаллической решетки, называемых дислокациями, связано с их сильным влиянием на прочность и пластичность практически всех конструкционных кристаллических материалов. Теории прочности кристаллов, не учитывающие этот тип дефектов, не могли даже приближенно объяснять наблюдающиеся механические свойства как моно- так и поликристаллических веществ.

Типы дислокаций. Дислокации принято разделять на краевые и винтовые, хотя, строго говоря, наблюдаемые дислокации только иногда могут быть отнесены к одному из этих модельных типов дислокаций, поскольку обычно содержат элементы и того и другого типа. Начнем рассмотрение с этих двух наглядных модельных дислокаций. Для простоты будем рассматривать простую кубическую решетку, хотя полученные результаты справедливы с незначительными изменениями и для решеток других типов.

Краевая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное для случая простой кубической решетки на рис 2.8. На этом рисунке изображена "лишняя половинка" плоскости, помещенная между двумя другими целыми соседними плоскостями типа 100. Атомы этих целых плоскостей восстановили связи друг с другом, при этом вблизи края вставленной полуплоскости возникли очень сильные деформации. Линию, проходящую через край лишней полуплоскости, называют линией краевой дислокации, а иногда просто краевой дислокацией. По этой причине дислокацию относят к линейным дефектам. Она проходит через места, находящиеся около границы лишней полуплоскости, с наиболее сильными искажениями кристаллической решетки, вызванными этой полуплоскостью. Область сильных искажений вблизи дислокации простирается на 2-3 периода кристаллической решетки. На больших расстояниях искажения малы и их можно описывать в рамках теории упругости.

Винтовая дислокация. Винтовая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное на рис 2.10 для случая простой кубической решетки. На этом рисунке атомы, расположенные слева от половинки плоскости А, остались на месте, а атомы справа от нее смещены вниз на одно межплоскостное расстояние. При этом вблизи линии В возникли очень сильные деформации. Линию В, проходящую через границу полуплоскости А и оставшейся полуплоскости также называют винтовой дислокацией. На рис. 2.10 видно, что по горизонтальной, теперь уже деформированной плоскости типа (001) можно при повороте вокруг линии В подняться на 1 период кристаллической решетки, а совершив несколько оборотов вокруг линии В можно подняться на несколько периодов решетки. Подъем похож на движение по винтовой автодороге, отсюда и название винтовая дислокация. Заметим, что в случае винтовой дислокации все плоскости (010) перестали быть обособленными, они как бы слились в одну сложную винтовую поверхность с осью В. Изображенная на рис. 2.10 поверхность обеспечивает подъем при движении против часовой стрелке вокруг линии В (если смотреть сверху). Может быть построена такая же поверхность, которая обеспечивает подъем при движении по часовой стрелки вокруг линии В (для этого надо было правую часть кристалла на рис. 2. 10 смещать не вниз, а вверх). Поэтому винтовые дислокации бывают правовинтовые и левовинтовые.

15. Чем объясняется упрочнение металла в результате его пластической

деформации?

В основе пластического деформирования металлов лежит перемещение дислокаций практически при любых температурах и скоростях деформирования. Сущностью пластического деформирования является сдвиг, в результате которого одна часть кристалла смещается по отношению к другой части.

Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная прочность металла повысится. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно придающей способность пластически деформироваться.

16.Как связаны затраты энергии с температурой нагрева заготовки под

горячую обработку давлением?

Основные требования к идеальному технологическому процессу обработки можно определить так: - энергия, необходимая для процесса обработки, должна вводиться непосредственно в рабочую зону, минуя всевозможные передаточные звенья и преобразования; - энергия должна направляться на нарушение и ослабление минимально необходимого количества связей, не затрагивая близлежащих слоев обрабатываемого материала.

Получение нужных результатов после горячей обработки металлов давлением возможно лишь при правильном назначении температур начала и конца этой обработки, а также при выборе правильной скорости нагрева металла.

Нагрев заготовки начинается с поверхности и благодаря теплопроводности металла распространяется вглубь него. При слишком быстром нагреве могут возникнуть трещины. При недостаточно высокой температуре нагрева пластичность металла для осуществления его деформации будет недостаточна. При слишком высокой температуре нагрева может получиться перегрев или даже пережог. В первом случае будет чрезмерный рост зерен металла, а при пережоге — окисление по границам зерен и расплавление межкристаллического вещества. В результате этого ослабляется связь между зернами металла. При ковке пережженного металла он разрушается.

17.Что такое феррит, цементит, перлит, аустенит, мартенсит,

доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали?

При температурах ниже 727 °С все отожженные углеродистые стали состоят из двух фаз - феррита и цементита. Феррит - это твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной кубической решеткой (Fe_a). Максимальная растворимость углерода в Fe_a составляет около 0,02 % (точка Р). Цементит - это карбид железа Fe₃ C, содержащий 6,67 % С.

При температурах выше линии GSE равновесной фазой является аустенит - твердый раствор углерода в железе с гранецентрированной кубической решеткой (Fe_g). Предельная растворимость углерода в Fe_g - 2,14 %

В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, избыточный феррит, вторичный цементит и третичный цементит.

Во всех сплавах правее точки Р при небольшом переохлаждении до температур ниже 727 °С аустенит эвтектоидного состава (0,8 % С) распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом, причем цементит может быть в виде пластинок или зерен.

Сталь, содержащую 0,8 % С, называют эвтектоидной. Стали, содержащие менее 0,8 % С называют доэвтектоидными, а более 0,8 % С - заэвтектоидными.

18. Поясните сущность термической обработки металлов. Виды термической обработки.

Термическая обработка металлов и сплавов, используемая в любительской практике, подразделяется на отжиг, закалку и отпуск.

Отжиг стальной детали производят для уменьшения ее твердости, что необходимо для облегчения механической, в том числе пластической, обработки. Отжиг целесообразен в тех случаях, когда необходимо изготовить какой-либо инструмент, используя металл другого, закаленного ранее инструмента.

Полный отжиг происходит при нагревании детали или заготовки до 900°С, выдержке при этой температуре для прогрева детали по всему объему, а затем медленном охлаждении до комнатной температуры.

Закалка дает стальной детали большую твердость и износостойкость. Деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, необходимое для прогрева всего объема материала, а затем быстро охлаждают. Обычно детали конструкционных сталей нагревают до 880-900 °С, из инструментальных -- до 750-760°С, из нержавеющей стали до 1050-1100°С. Для охлаждения применяют раствор поваренной соли или масло. При охлаждении в масле на поверхности стали образуется плотная пленка оксидов, которая является хорошим антикоррозийным покрытием.

При закалке мелких деталей можно легко перекалить их. Во избежание этого пользуются оправдавшим себя способом: раскаляют плоскую крупную болванку, на которую кладут мелкую деталь. Температуру закаливаемой детали определяют по цвету свечения болванки.

Необходимо, чтобы в процессе охлаждения детали температура жидкости оставалась почти неизменной, поэтому масса жидкости должна быть в 30-50 раз большей массы закаливаемой детали. Для интенсивного охлаждения деталь следует перемещать во всех направлениях Тонкие широкие детали нельзя погружать в жидкость плашмя, так как при этом деталь будет коробиться.

Отпуск закаленных деталей позволяет снизить их хрупкость до допустимых пределов, сохранив при этом твердость, приобретенную сталью в результате закалки.

19.В чем сущность и цель отжига? Виды отжига.

Отжиг — вид термической обработки металлов, сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов),рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для облегчения механической обработки, улучшение микроструктуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.

Полный и неполный отжиг

· Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30—50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °C/час. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация.

· Неполный отжиг заключается в нагреве до температуры между нижней и верхней критическими точками и последующем медленном охлаждении.