Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла кратко

Обновлено: 07.07.2024

Найди готовую курсовую работу выполненное домашнее задание решённую задачу готовую лабораторную работу написанный реферат подготовленный доклад готовую ВКР готовую диссертацию готовую НИР готовый отчёт по практике готовые ответы полные лекции полные семинары заполненную рабочую тетрадь подготовленную презентацию переведённый текст написанное изложение написанное сочинение готовую статью

Сделан в Word, графики в электронном виде с ссылками. Курсовая работа. Вариант 33. Гидравлический расчет гидросистемы стенда для испытания центробежных насосов.

Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Т_пл.), рекристаллизация - при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций.

Схема полигонизации: а, б — наклепанный металл до и после полигонизации соответственно

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах твердых растворах -наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами.

Термическая обработка металлов и сплавов

Определения и классификация

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.

Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30-200°С/ч.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице:

охлаждающей среды, о С

10%-ный раствор в воде: NaCl, NaOH

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при температуре 20-25°С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.

Отпуск и старение — термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор. В этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении,— распад пересыщенного твердого раствора. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин “отпуск” используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение. Термин “старение”-применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.

Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иногда и весь процесс термической обработки (отжиг) проводят в термических печах.

Термическую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия становится более равновесным.

Нагрев для снятия остаточных напряжений

Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновением в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п.

Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежелательны. Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции; увеличивая запас упругой энергии, остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут достигать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева.

В стальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С; после выдержки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от нескольких до десятков часов и зависит от массы изделия.

В сплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Например, в холоднодеформированных латунных полуфабрикатах остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-300°С

По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пределах 20-200 °С/ч.

Рекристаллизационный отжиг

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет решающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на спокойном воздухе. Цель отжига - понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств, и получение заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперационной смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100-200 °С выше температуры рекристаллизации. В некоторых металлах и твердых растворах рекристаллизация сопровождается образованием текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает анизотропию свойств. Это позволяет улучшить те или иные свойства вдоль определенных направлений в деталях. В машиностроении и приборостроении широкое применение находят металлы и сплавы - твердые растворы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии. В таких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пластической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла - внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Около 10…15 % всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем. Остальная часть энергии идет на нагрев металла.

Деформированный металл находится в неравновесном, неустойчивом состоянии, и в нем могут протекать процессы, направленные на достижение устойчивого состояния. Этот переход связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке и снятием напряжений, что в свою очередь определяется возможностью перемещения атомов.

С повышением температуры подвижность атомов увеличивается и начинают развиваться процессы, приводящие металл к равновесному состоянию. По мере нагрева деформированный металл проходит стадии возврата и рекристаллизации, в результате чего изменяются его структура и свойства (рисунок 20).

В области возврата (при нагреве до 0,3 Т_пл) происходит повышение структурного совершенства металла в результате уменьшения плотности дефектов строения. При этом не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в оптический микроскоп. Механические свойства металла изменяются незначительно, порядка на 5…7 %.

При низких температурах (ниже 0,2 Т_пл) протекает первая стадия возврата — отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования субграниц. При нагреве вакансии поглощаются дислокациями, которые двигаются к границам зерен. Часть дислокаций противоположного знака уничтожается.

Вторая стадия возврата — полигонизация, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллов на субзерна (полигоны). При нагреве беспорядочно распределенные дислокации одного знака выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к образованию в монокристалле или в зерне поликристалла субзерен (полигонов), свободных от дислокаций и отделенных дислокационными границами (рисунок 21).

Этот процесс протекает обычно при небольших деформациях при температуре (0,25…0.3)Т_пл, и им создаются условия для образования в структуре металла зародышей новых зерен.

Рисунок 21 — Схема процесса полигонизации

Стадия первичной рекристаллизации в деформированном металле происходит при его нагреве выше 0,3Т_пл. При высоких температурах подвижность атомов возрастает и образуются новые равноосные зерна.

Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется первичной рекристаллизацией.

В деформированном металле на участках с повышенной плотностью дислокаций образуются и растут зародыши. Образуется совершенно новое зерно, по размерам отличающееся от исходного до деформации. Наклеп практически полностью снимается, и свойства приближаются к их исходным значениям.

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурным порогом рекристаллизации.

Температурный порог рекристаллизации (Т_р) связан с температурой плавления металла зависимостью А.А.Бочвара:

где Т_пл — абсолютная температура плавления, К;

а — коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для металлов высокой чистоты а = 0,1…0,2; для технически чистых металлов а=0,4; для сплавов твердых растворов а = 0,5…0,6.

Для некоторых металлов значение температурного порога рекристаллизации приведено в таблице 2.

Рекристаллизационный отжиг малоуглеродистых сталей проводят при 600…700 0 С, латуней и бронз при 560…700 0 С, алюминиевых сплавов при 350…450 0 С, титановых сплавов при 550…750 0 С.

Собирательная рекристаллизация проходит после завершения первичной рекристаллизации в процессе дальнейшего нагрева. Она заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.

Таблица 2 — Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов

Металл	Температура плавления, 0 С	Температура рекристаллизации, 0 С
Вольфрам	3400	1200
Молибден	2625	900
Железо	1539	450
Медь	1083	200
Алюминий	660	100

Особенность собирательной рекристаллизации состоит в том, что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, ”поедая” их вследствие перехода атомов через границы раздела. Зерна с вогнутыми границами растут за счет зерен с выпуклыми границами (рисунок 22). Атом на вогнутой поверхности имеет большее число соседей и, следовательно, меньшую энергию, по сравнению с атомами на выпуклой поверхности. Малые зерна постепенно исчезают. Собирательная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов и поэтому чаще всего недопустима для наклепанного металла.

Рисунок 22 — Схема роста зерен при собирательной рекристаллизации

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень производительной пластической деформации (рисунок 23).

Величина зерна возрастает с повышением температуры нагрева и времени выдержки. При температурах Т₁ и Т₂ (выше Т_р) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу, а через некоторый отрезок времени t₁ и t₂, который называется инкубационным.

Рисунок 23 — Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна

Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации, обычно порядка 3…15 %, такую степень деформации называют критической.

Критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизации.

Бблыпая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная часть энергии аккумулируется в металле в виде повышенной плотности несовершенств строения (вакансий и, главным образом, дислокаций). О накоплении энергии свидетельствует также рост остаточных напряжений в результате деформации. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации, обусловливающие возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.

1. ВОЗВРАТ И ПОЛИГОНИЗАЦИЯ

При нагреве до сравнительно низких температур (обычн о ниже начинается процесс возврата, под которым понимают повышение структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов строения, однако без заметных изменений структуры, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием.

В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах (ниже ) протекает собственно первая стадия возврата, когда происходят уменьшение точечных дефектов (вакансий) и небольшая перегруппировка дислокаций без образования новых субграниц.

Избыточные вакансии и межузельные атомы поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве. Кроме того, происходит сток вакансий к границам зерен, что определяет уменьшение их концентрации. Далее вакансия и межузельные атомы при встрече взаимодействуют с уменьшением энергии.

Вторая стадия возврата — полигонизация, под которой понимают фрагментацию кристаллитов на субзерна (полигоны) с малоугловыми границами> происходит при нагреве до более высоких температур.

Для объяснения процесса полигонизации предложен следующий дислокационный механизм. При деформации кристалла, например, путем изгиба возникают дислокации, неупорядоченно распределенные в плоскостях скольжения (рис. 58, а). При нагреве, достаточном для протекания самодиффузии, дислокации различных знаков аннигилируют, а избыточные дислокации одного знака

Рис. 58. Схема процесса полигонизации: а — распределение дислокаций после деформации; б - образование блоков; в — субзерна в низкоуглеродистой стали,

выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к образованию в монокристалле или в зернах поликристалла субграниц, ограничивающих субзерна (полигоны), свободные от дислокаций (рис. 58, б). Процесс полигонизации этого классического типа протекает после небольших деформаций при нагреве до На рис. 58, в представлены субзерна в структуре низкоуглеродистой стали.

Укрупнение субзерен (полигонов) при увеличении времени или повышении температуры и очищение их объема от дислокаций приводят к снижению прочности.

ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

Влияние нагрева на структуру и свойства деформируемого металла Примерно 10-15%всей энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем. Оставшаяся энергия используется для нагрева металла.

Деформированный металл находится в неравновесном и неустойчивом состоянии, а также могут возникать процессы, направленные на достижение устойчивого состояния. Этот переход связан с уменьшением деформации кристаллической решетки и релаксацией напряжений, что определяется способностью атомов к move.

As как показано на фиг. 11, при нагреве деформированного металла он проходит стадии возврата и перекристаллизации, в результате чего происходит изменение структуры и свойств(фиг.25). В зоне возврата (при нагревании до 0,3 ТМ) плотность структурных дефектов снижается, что повышает структурную целостность metal. At при этом под световым микроскопом не видно никаких заметных изменений в структуре. Рисунок 25.

Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве： 1-прочность, твердость; 2-пластичность Механические свойства металлов несколько отличаются и находятся в пределах 5-7 / О. При низких температурах (менее 0,2 Тал) точечные дефекты (вакансии) редуцируются, а дислокации перераспределяются без субграниц, что приводит к первому возвращению листовой стали. При нагревании вакансии поглощаются дислокациями, перемещающимися к границам зерен.

Некоторые из дислокаций противоположного знака разрушаются. Преднамеренный шаг в триангуляции означает дробление (фрагментацию) кристалла в субзерно (многоугольник).При нагревании случайно распределенные дислокации с одинаковым символом выравниваются в стенке дислокации, а в монокристаллических или многокристальных зернах, разделенных на границе дислокации без дислокаций, образуются подзерна (полигоны).

Этот процесс обычно осуществляется таким же образом, как и в (0.25… 0.3) протекает с небольшими деформациями при температуре Чирок, создавая условия, при которых в структуре металла образуются новые зерна. Стадия начальной рекристаллизации деформированного металла наступает при нагреве выше 0, 3 mm. At при высоких температурах повышается подвижность атомов, образуются новые изотропные зерна. Рис.26.

Рисунок процесса триангуляции Ориентированная волокнистая структура деформированного металла, а не образование новых равноосных зерен, называется первичной рекристаллизацией. В деформированном металле ядро образуется и растет в области высокой плотности дислокаций.

Образуются совершенно новые частицы, отличающиеся по размеру от исходных до деформации. Закалка практически полностью снимается, и свойство приближается к исходному значению. Людмила Фирмаль

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации, называется порогом температуры рекристаллизации. Температурный порог (гр) рекристаллизации равен А. А. зависимость Бочвара связана с температурой плавления металла. Здесь Tm-абсолютная точка плавления. K; a-коэффициент, зависящий от чистоты металла. Для металлов высокой чистоты-0,1… 0,2;для технически чистых металлов а = 0,4, день твердого раствора сплава а-ОД..0.6

Для некоторых металлов температурный порог рекристаллизации выглядит следующим образом: Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов Температура металла Плавления°с рекристаллизация. °С Вольфрам 3100 1200 Молибденовый 2625 900 Железо 1539 450 Медь 1083 200 Алюминий 660 100 Рекристаллизационный отжиг мягкой стали проводят при 600-700°с, а латуни и бронзы при 560-700°С. алюминиевый сплав-350… 450°с, титановый сплав-550… 750°с

Когда первичная перекристаллизация завершается во время дальнейшего подогрева, коллективная перекристаллизация occurs. It состоит в росте новых зерен, которые сформировались. Движущей силой рекристаллизации населения является поверхностная энергия particles. As зерно становится больше, общая длина границы зерен становится короче. Это соответствует переходу металла в равновесное состояние. Характерной особенностью рекристаллизации популяции является то, что рост не происходит в результате связывания нескольких мелких частиц с одной крупной частицей. Частицы с выпуклыми границами(рис. 27).

Атомы на вогнутой поверхности имеют больше соседних атомов, чем атомы на выпуклой поверхности, что приводит к меньшей энергии. s c и I, вызывают образование и неравномерность крупных частиц, что способствует снижению механических свойств металла. РМЭ. 27.Закономерности роста зерна в коллективных реках Размер частиц оказывает большое влияние на свойства металлов、 Рис.23.Влияние температуры (а), периода пары NI(6)и степени деформации © на количество перекристаллизованных зерен Основными факторами, определяющими размер частиц металла при рекристаллизации, облучаемых при рекристаллизации, являются температура, время выдержки при нагреве и степень продуктивной пластической деформации(рис.28).

Размер зерна увеличивается с увеличением температуры нагрева и времени выдержки. При температурах Г и Г2 (выше Гр) образование перекристаллизованных зерен происходит не сразу, а через определенное время XT (называемое инкубацией). Самые крупные частицы образуются после небольшой предварительной деформации, обычно около 3,15%.Такая степень деформации называется критической. Критичностью называют такую минимальную степень деформации, за пределами которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизация.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также:

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла кратко

Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

Рекомендуемые материалы

Холодная и горячая деформации