Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
художественная деформация1_variant.docx
Скачиваний:
177
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
2.26 Mб
Скачать

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.