- •Г. В. Бычков, а. В. Смольянинов
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Металлы
- •1.1. Кристаллизация металлов
- •1.2. Строение кристаллов металла
- •1.3. Исследование структуры металла
- •2. Свойства металлов и сплавов
- •2.1. Механические свойства металлов
- •2.1.2. Прочность при динамическом нагружении
- •2.1.3. Прочность при циклическом нагружении (испытания на усталость)
- •2.1.4. Пластичность металлов
- •2.1.5. Твердость металлов
- •3. Разрушение металлов
- •3.1. Разрушение при однократных нагрузках (хрупкое и вязкое разрушение)
- •3.2. Усталостное разрушение металлов
- •4. Металлические сплавы
- •4.1. Основные положения
- •4.2. Диаграмма железоуглеродистых сплавов
- •4.2.1. Критические точки сталей (точки Чернова)
- •4.3. Классификация и маркировка сталей и чугунов
- •4.3.1. Углеродистые стали (классификация)
- •4.3.2. Чугуны (классификация)
- •5.1. Превращения при нагреве и охлаждении
- •5.2. Операции термической обработки
- •Б – прерывистая закалка в двух охладителях
- •6. Структура сварного соединения
- •7. Поверхностное упрочнение деталей
- •7.1. Механическое упрочнение поверхности
- •7.2. Термическое упрочнение – поверхностная закалка
- •7.3. Химико-термическая обработка
- •7.3.1. Операции химико-термической обработки
- •Часть 4 Вопросы прочности и надежности металлов Конспект лекций
- •644046, Г. Омск, пр. Маркса, 35
1.1. Кристаллизация металлов
Переход металла из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Великий русский ученый Д. К. Чернов, изучая структуру литой стали, установил, что процесс кристаллизации следует разделять на две стадии: зарождение первичных зародышей кристаллов (центров кристаллизации) и рост кристаллов из этих центров (рис. 1).
Схема роста кристаллов показана на рис. 2. Кристалл растет в направлении, противоположном отводу тепла. Сначала образуется главная ось кристалла 1, затем на главной оси образуются оси первого порядка 2, на них – оси второго порядка 3, на них – оси следующего порядка и т. д., пока в этом объеме есть жидкий металл.
Атомы жидкости пристраиваются к атомам кристаллов, создавая их форму и обеспечивая их рост. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму до момента соприкосновения их друг с другом. В месте соприкосновения кристаллов рост их отдельных осей и граней прекращается. В результате к окончанию процесса кристаллизации кристаллы не имеют правильной геометрической формы, но сохраняют свое древовидное строение. Кристаллы древовидной формы называются дендритами (см. рис. 2).
Рис. 1. Схема процесса кристаллизации
(□ – центры кристаллизации)
Рис. 2. Дендритная кристаллизация: а – схема дендритного строения
по Чернову; б – схема кристаллизации слитка; дендриты Чернова (в),
на поверхности сурьмы (г) и алюминия (д)
Дендритное строение – признак литого состояния металла (слиток, отливка). При значительной пластической деформации литого металла форма и размеры кристаллов изменяются – дендриты дробятся, из них образуются новые кристаллы неопределенной формы, называемые зернами (рис. 3). Зернис-тое строение – признак деформированного металла (прокат, поковки, штампованные полуфабрикаты).
а б
Рис. 3. Микроструктура доэвтектоидной стали:
а – крупнозернистая; б – мелкозернистая
Размер кристаллов металла во многом определяет его прочностные свойства: чем мельче кристаллы, тем выше сопротивление металла ударным и циклическим нагрузкам. Итак, в процессе кристаллизации два фактора определяют строение металла: число центров кристаллизацииискорость роста кристалловиз этих центров.
Проследим за изменением температуры металла при охлаждении жидкости через равные промежутки времени (рис. 4). Сначала температура жидкого металла понижается равномерно в зависимости от скорости охлаждения V1,V2,V3. Затем понижение температуры прекращается и на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок (площадка). В это время отвод тепла компенсируется выделением скрытой теплоты кристаллизации и металл переходит в твердое состояние (образуются и растут кристаллы). После окончания кристаллизации температура вновь равномерно понижается, металл охлаждается в твердом состоянии.
При теоретической температуре кристаллизации жидкий металл и твердые кристаллы могут существовать одновременно и бесконечно долго. Следовательно, кристаллизация может происходить только при определенном охлаждении металла ниже теоретической (равновесной) температуры. Разность между теоретическим и фактическим значениями температуры кристаллизации металла называетсястепенью переохлаждения Т (рис. 4).
Скорости охлаждения V1 соответствует малая степень переохлаждения Т1. Охлаждение расплава со скоростью V2 вызывает увеличение степени переохлаждения Т2, а большая скорость охлаждения V3 приведет к увеличению степени переохлаждения Т3, и кристаллизация будет происходить при более низкой температуре. В итоге это скажется на факторах процесса кристаллизации:
Vохл ТЧЦК – СРК, (1)
где ЧЦК – число центров кристаллизации;
СРК – скорость роста кристаллов из этих центров.
Однако не всегда имеется возможность регулировать скорость охлаждения жидкого металла. Методом получения мелких кристаллов при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного регулирования количества и размеров кристаллов называется модифицированием.