4.4. Пути повышения прочности металлов

Принято различать техническую и теоретическую прочность. Техническую прочность определяют значением свойств: предела упругости (_0,05); предела текучести (_0,2); предела прочности (_в); модуля упругости (Е); предела выносливости (_R).

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатомных сил можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по следующей формуле:

_теор  G / 2,

где G – модуль сдвига.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 – 1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего с существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности и других дефектов в металлах:1 – теоретическая прочность; 2-4 – техническая прочность (2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 –сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)

Как видно из рисунка 4.13, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей 10⁶ – 10⁸ см^-2. Эта величина относится к отожженным металлам. Величина _0,2 отожженных металлов составляет 10^-5 – 10^-4 G. Если а  10¹² – 10¹³ см^-2, то в этом случае могут образоваться трещины.

Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис.4.13), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.

Повышение прочности достигается:

• созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, т.е. получение нитевидных кристаллов («усов»);

• повышение плотности дефектов, в том числе дислокаций, а также структурных препятствий, затрудняющих движение дислокаций;

• создание композиционных материалов.

4.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация)

Пластическая деформация (рис. 4.14) приводит к созданию неустойчивого состояния материала из-за возросшей внутренней энергии (внутренних напряжений). Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

Рис. 4.14. Влияние нагрева на механические свойства и структуру нагартованного металла

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки, другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 –400 ^оС) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д.

Исправление искаженной решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При этом твердость металла снижается на 20-30 % по сравнению с исходным, а пластичность возрастает.

Параллельно с возвратом при температуре 0,25 – 0,3 Т_пл происходит полигонизация (сбор дислокаций в стенки) и образуется ячеистая структура.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация, т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Между температурами рекристаллизации и плавления существует связь:

Т_рек = а * Т_пл,

где а – коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для технически чистых металлов а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,8.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

• первичную рекристаллизацию или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

• вторичную или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающую при более высокой температуре.

Первичная кристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной кристаллизации, заключающийся в росте зерна.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

• зародышевый, состоящий в том, что после первичной кристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;

• миграционный, состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Крупные зерна растут за счет «поедания» мелких;

• слияние зерен, состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. При этом образуется разнозернистая структура с низкими механическими свойствами.

Реализация одного из основных механизмов роста зависит:

• от температуры. При низких температурах рост идет за счет слияния зерен, при высоких – за счет миграции границ зерен;

• от исходного состояния ( от степени деформации). При малой степени деформации (3-8%) первичная рекристаллизация затруднена, и рост зерна идет за счет слияния зерен. В конце процесса образуются гигантские зерна. При большой степени деформации (более 10 %) слияние зерен затрудняется, и рост идет за счет миграции границ зерен. Образуются более мелкие зерна. Таким образом, после отжига получается равновесная структура, изменяются механические свойства, снимается наклеп металла, повышается пластичность.

5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

5.1. Строение сплавов

Чистые металлы обладают низкой прочностью и не обеспечивают требуемых механических и технологических свойств, поэтому наиболее широко в технике (промышленности) используют сплавы.

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух и более исходных веществ, преимущественно металлических, и обладающее металлическими свойствами.

В настоящее время сплавы получают:

• сплавлением;

• спеканием (порошковая металлургия);

• электролизом;

• возгонкой (сублимацией);

• плазменным напылением и др.

Вещества, образующие сплав, называются компонентами.

В сплавах компоненты могут различно взаимодействовать друг с другом, образуя те или иные фазы.

Фазой называется однородная по химическому составу, кристаллической структуре, физическим свойствам часть гетерогенной термодинамической системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком.

Система – это совокупность фаз, находящихся в равновесии и разграниченных поверхностями раздела.

При кристаллизации сплавов могут образовываться следующие основные твердые фазы: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в кристаллической решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Твердые растворы имеют металлический тип связей. По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы: замещения, внедрения, вычитания (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема строения кристаллических решеток: а – твердый раствор замещения; б – твердый раствор внедрения.

Твердые растворы замещения образуются при замене атомов в кристаллической решетке растворителя атомами растворенного компонента (рис. 5.1а). Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и

неограниченной растворимостью и могут быть образованы при соблюдении следующих условий:

• компоненты должны обладать одинаковыми по типу кристаллическими решетками;

• различие в атомных радиусах компонентов не должно быть больше 8-13 % (при разности атомных радиусов меньше 8 % происходит полная взаимная растворимость одного компонента в другом и образуется неограниченный твердый раствор; при разности атомных радиусов в пределах 8-13 % получаются растворы ограниченной растворимости одного компонента в другом; при разности атомных радиусов больше 15 % имеет место полная взаимная нерастворимость и образование механической смеси или химического соединения);

• компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежной, обладать близким строением валентной оболочки атомов (чем больше разница в валентности элементов, вступающих во взаимодействие, тем меньше растворимость).

Например: В одновалентной меди (Cu), имеющей гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) растворяется 38 % Zn (2-валентного), 9 % Al (3 – валентного), 6 % As ( 5 – валентного). В системе Au – Ag существует полная взаимная растворимость.

Твердые растворы внедрения (рис.5.1б)образуются только в том случае, если внедряемые атомы имеют малые размеры и проникают в поры кристаллической решетки растворителя (H, C, N, B).

Твердые растворы вычитания образуются на базе металлических соединений (интерметаллидов), в структуре которых имеются узлы кристаллической решетки, не занятые атомами одного из компонентов.

Твердые растворы обозначаются малыми буквами греческого алфавита (рис.5.2)

Рис. 5.2. Схема структуры твердого раствора (компонента В в А)

При определенных условиях атомы растворенного элемента могут занимать определенные места в решетке, т.е. упорядоченно располагаться. Такие твердые растворы называются упорядоченными твердыми растворами (рис.5.3).

Рис. 5.3. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов в системе Cu – Au

При упорядочении решетки (диффузионный отжиг) изменяется период решетки, но тип решетки остается. Например, упорядоченный раствор CuAu (1:1) имеет гранецентрированную тетрагональную решетку с отношением периодов с / а = 0,935, а неупорядоченный раствор – кубическую гранецентрированную с отношением периодов с / а = 1.

Твердые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных и инструментальных сплавов и обладают хорошей технологической пластичностью.