- •Специальные технологии художественной обработки материалов. Часть 2 (Технология изготовления художественных изделий обработкой давлением)
- •Оглавление
- •Введение
- •Лекция 1. Из истории обработки металлов давлением
- •1.1. Ковка металлов в древности
- •1.2. Кованые изделия средневековья
- •1.3. Изделия конца хviii - начала хх веков
- •Лекция 2. Элементы теории напряжений и деформаций
- •2.1. Связь между деформацией и напряжением
- •2.2. Плоское напряжённое состояние и плоская деформация
- •2.3. Главные напряжения и их основные схемы
- •2.4. Взаимосвязь обобщенного напряжения и обобщенной деформации. Испытание металлов на растяжение
- •Заключение
- •3.2. Типы дефектов кристаллического строения и их основные свойства
- •3.3. Структурообразования при пластической деформации металлов
- •3.4. Причины деформационного упрочнения
- •Упрочнение от взаимодействия дислокаций
- •Взаимодействие дислокаций с примесями
- •Упрочняющее действие межзеренных и межфазных границ
- •3.5. Разрушение металлов при пластической деформации
- •3.6. Пластичность металлов. Влияние напряжённого состояния
- •Заключение
- •4.2. Взаимосвязь предела текучести и пластичности металла
- •4.3. Термическое разупрочнение деформированного металла
- •4.4. Движущие силы и кинетика термического разупрочнения
- •4.5. Сопротивление деформации металлов. Релаксация напряжений
- •4.6. Охлаждение деформированного металла. Фазовые превращения
- •Заключение
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 5. Основные виды пластической деформации
- •5.1. Сжатие
- •5.2. Вытяжка
- •5.3. Прошивка
- •5.4. Закручивание
- •5.5. Листовая штамповка
- •5.6. Прокатка
- •5.7. Волочение
- •5.8. Гибка
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 6. Средства нагрева металлов
- •6.1. Источники нагрева
- •6.2. Пламенные нагревательные устройства
- •6.3.Электрические нагревательные устройства
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 7. Технологические процессы художественной деформации, ч. 1
- •7.1. Художественная ковка Основные положения
- •Кузнечные инструменты
- •Основные операции ручной ковки
- •7.2. Выколотка (дефовка)
- •7.3. Чеканка
- •Инструменты и приспособления
- •Технология чеканки
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 8. Технологические процессы художественной деформации, ч. 2
- •8.1. Тиснение (басма)
- •8.2. Металлопластика
- •8.3. Насечка (тауширование)
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 9. Технологические процессы художественной деформации, ч. 3
- •9.1. Филигрань (скань)
- •9.2. Гравирование Общие положения
- •Инструменты и приспособления
- •Плоскостное гравирование
- •Обронное гравирование
- •9.3. Изготовление сусального золота
- •9.4. Листовая штамповка
- •9.5. Ручное резание
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Список литературы
- •Специальные технологии художественной обработки материалов. Часть 2 (Технология изготовления художественных изделий обработкой давлением)
4.6. Охлаждение деформированного металла. Фазовые превращения
Итак, во время горячей пластической деформации в металлах протекают процессы деформационного упрочнения, термического разупрочнения, а при больших деформациях – разрушения. По окончании деформации в металле продолжается термическое разупрочнение (или релаксация напряжений), скорость которого уменьшается пропорционально снятию деформационного упрочнения.
Если металл после деформации начинают охлаждать с некоторой заданной скоростью, то при снижении температуры уменьшается скорость релаксационных процессов. Тогда часть деформационного упрочнения, приобретенного металлом при температуре T = Ti может сохраниться и после охлаждения до комнатной температуры Т0.
Огромный вклад в формирование свойств металла вносят скорость охлаждения, с которой он проходит температуры превращения, а также пластическая деформация перед, во время или непосредственно после превращения. Экспериментально эффект скорости охлаждения на характер превращения, формирование свойств и структуры металла обнаружен тысячелетия назад - его использовали еще древние мастера при изготовлении стального холодного оружия, в том числе из булатных сталей.
Сразу заметим, что закалочные эффекты в материалах, претерпевающих фазовые превращения, повышают прочность, а в чистых недеформированных металлах или твердых растворах, в том числе пересыщенных, или не влияют на свойства, или повышают пластичность за счет растворения второй фазы.
Рассмотрим изменение свойств наиболее распространенного конструкционного материала – углеродистой стали – в результате фазового превращения при охлаждении. Будем рассматривать превращение в эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % углерода, полагая, что с диаграммой состояния железо-углерод студенты знакомы.
Принятая нами физическая модель миграции границы зерна как основного механизма термического разупрочнения или релаксации напряжений «чувствует», как было показано ранее, структурное состояние металла. По этой причине она должна реагировать и на протекающие в металле полиморфные превращения.
Во-первых, их влияние связано с возможным скачкообразным изменением коэффициента диффузии при переходе от одной кристаллографической модификации к другой: скачкообразно для эвтектоидного превращения либо с перегибом – для до – или заэвтектоидного превращения.
Во-вторых, в результате полиморфного превращения изменяется параметр кристаллической решетки а.
В-третьих, во время превращения в металле изменяются тип атомно-кристаллической решетки, энергия связи атомов и, как следствие, модуль упругости Е. Скачкообразное изменение Е вызывает аналогичное скачкообразное изменение σs:
Итак, суммируя изложенное, можно отметить, что влияние собственно полиморфного или фазового превращения сводится к следующим эффектам:
1) скачкообразному изменению коэффициента диффузии;
2) скачкообразному изменению параметра решетки;
3) скачкообразному изменению внутренних напряжений;
4) если превращение происходит на некотором температурном интервале, скачки характеристик металла рассредоточиваются на всем интервале превращения ΔТф.п.
Эти процессы вызывают изменение сопротивления деформации K(t) за счет не только естественного снижения температуры металла при охлаждении, но и дополнительного скачка напряжений Δσф.п(Т) при изменении модуля упругости, а также за счет «переключения скорости» релаксационных процессов. Скорость охлаждения металла мала, то возникающие дополнительные напряжения успевают релаксировать, если велика – успевают лишь частично, и тогда при комнатной температуре материал имеет более высокое значение предела текучести, т. е. повышенную прочность.
Каким образом реагируют внутренние напряжения в металле на протекание полиморфных и фазовых превращений? Заметим, что если превращение происходит при температуре Тф.п и малой скорости охлаждения, то при этом в окружающую среду выделяется энергия ΔQф.п.
Выделение тепловой энергии ΔТф.п во время фазового или полиморфного превращения в окружающую среду вызвано изменением характера и энергии межатомного взаимодействия при перестройке кристаллической решетки. Если охлаждать металл от температуры Тф.п с большой скоростью, часть этой энергии не успевает выделиться в виде тепла из металла в силу конечных значений его релаксационных и теплофизических свойств, наследуется металлом и может быть израсходована на образование допонительных структурных элементов – дислокаций, границ, вакансий и других. При этом энергия из тела не выделяется в окружающую среду в виде ΔQф.п, а остается в металле, причем в идеальном варианте ΔWф.п = ΔQф.п, где ΔWф.п – изменение энергии металла после протекания фазового превращения, не успевшее выделиться в окружающую среду в виде теплоты и рассеянное в металле в виде вновь образованных дефектов кристаллического строения. При этом металл приобретает новую структуру. Например, в стали в зависимости от скорости охлаждения образуется мартенсит, бейнит, троостит, сорбит или перлит.
Любое изменение энергии системы приводит к изменению напряжений. Следовательно, при фазовом превращении происходит упрочнение.
Таким образом, не структура определяет свойства металла, а свойства и структура в равной степени обусловлены уровнем запасенной металлом энергии.