5. Хладостойкость – свойство материала сохранять пластические особенности при отрицательных температурах.
6. Антифрикционность – свойство материала прирабатываться к второму материалу.
Эти особенности определяются особыми опробованиями в зависимости от условий работы изделий.
При выборе материала для конструкции нужно абсолютно учитывать механические, технологические и эксплуатационные особенности.
Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации поликристаллических тел. Наклеп, рекристаллизация и возврат
Конструкционная прочность материалов
В следствии опробований приобретают характеристики:
- силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости);
- деформационные (относительное удлинение, относительное сужение);
- энергетические (ударная вязкость).
Все они характеризуют неспециализированную прочность материала независимо от назначения, условий и конструкции эксплуатации. Высокий уровень качества подробности возможно достигнуто лишь при учете всех изюминок, каковые имеют место в ходе работы подробности, и каковые определяют ее конструкционную прочность.
Конструкционная прочность – комплекс прочностных особенностей, каковые находятся в громаднейшей корреляции со служебными особенностями данного изделия, снабжают долгую и надежную работу материала в условиях эксплуатации.
На конструкционную прочность воздействуют следующие факторы:
- конструкционные изюминки подробности (размеры и форма);
- механизмы разных видов разрушения подробности;
- состояние материала в поверхностном слое подробности;
- процессы, происходящие в поверхностном слое подробности, приводящие к отказам при работе.
Нужным условием создания качественных конструкций при экономном применении материала есть учет дополнительных параметров, воздействующих на конструкционную прочность. Этими параметрами являются долговечность и надёжность.
Надежность – свойство изделий, делать заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени либо сопротивление материала хрупкому разрушению.
Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных напряжениях, и при развитии усталостных коррозии и процессов.
Параметрами, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть.
Долговечность – свойство подробности сохранять работоспособность до определенного состояния.
Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, каковые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, другими словами условиями работы.
Параметрами, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность.
Неспециализированными правилами выбора параметров для оценки конструкционной прочности являются:
- аналогия вида напряженного состояния в испытываемых изделиях и образцах;
- аналогия условий опробования образцов и условий эксплуатации (температура, среда, порядок нагружения;
- аналогия вида излома и характера разрушения в изделии и образце.
Особенности деформации поликристаллических тел.
Разглядим холодную пластическую деформацию поликристалла. Пластическая деформация сплавов и металлов как тел поликристаллических, имеет кое-какие особенности если сравнивать с пластической деформацией монокристалла.
Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных деформации и зёрен в приграничных количествах. Отдельные зерна деформируются двойникованием и скольжением, но обоюдная их множественность и связь зёрен в поликристалле вносят собственные особенности в механизм деформации.
Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, исходя из этого под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут разны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых появляются большие касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и понемногу вовлекаться в процесс деформации. Деформация ведет к трансформации формы зерен: зерна приобретают форму, вытянутую в направлении самоё интенсивного течения металла (поворачиваются осями громаднейшей прочности на протяжении направления деформации). Изменение структуры при деформации продемонстрировано на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Изменение структуры при деформации: а) до деформации; б) по окончании обжатия на 35%; в) по окончании обжатия на 90%.
Металл получает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми на протяжении них неметаллическими включениями являются обстоятельством неодинаковости особенностей на протяжении и поперек волокон. В один момент с трансформацией формы зерен в ходе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.
В то время, когда кристаллические решетки большинства зерен приобретают однообразную ориентировку, появляется текстура деформации.
Влияние пластической деформации на свойства и структуру металла: наклеп
Текстура деформации формирует кристаллическую анизотропию, при которой громаднейшая отличие особенностей проявляется для направлений, расположенных под углом 45o друг к другу. С повышением степени деформации чёрта пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость возрастают (рис. 8.2). Кроме этого увеличивается электросопротивление, понижаются сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная проницаемость.
Рис.8.2. Влияние холодной пластической деформации на механические особенности металла
Совокупность явлений, которые связаны с трансформацией механических, физических и других особенностей металлов в ходе пластической деформации именуют деформационным упрочнением либо наклепом.
Упрочнение при наклепе разъясняется возрастанием на пара порядков плотности дислокаций:
Их свободное перемещение затрудняется обоюдным влиянием, кроме этого торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажениями решетки металлов, происхождением напряжений.
Влияние нагрева на свойства и структуру деформированного металла: рекристаллизация и возврат
Деформированный металл будет в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.
При низких температурах подвижность атомов мелка, исходя из этого состояние наклепа может сберигаться неограниченно продолжительно.
При увеличении температуры металла в ходе нагрева по окончании пластической деформации диффузия атомов возрастает и начинают функционировать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – рекристаллизация и возврат.
Возврат. Маленький нагрев приводит к ускорению перемещения атомов, понижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки
Процесс восстановления свойств и частичного разупрочнения именуется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре
..
Возврат сокращает искажение кристаллической решетки, но не воздействует на форму и размеры зерен и не мешает образованию текстуры деформации.
Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в следствии переползания и скольжения дислокаций.
При температурах возврата вероятна группировка дислокаций однообразных знаков в стены, деление зерна малоугловыми границами (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Схема полигонизации: а – хаотическое размещение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стены по окончании полигонизации.
В полигонизированном состоянии кристалл владеет меньшей энергией, исходя из этого образование полигонов — процесс энергетически удачный.
Процесс протекает при маленьких степенях пластической деформации. В следствии понижается прочность на (10…15) % и увеличивается пластичность (рис.8.4). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен возрастают (зерна подобны зернам, образующимся при рекристаллизации). Трансформаций в микроструктуре не отмечается (рис.8.5 а). Температура начала полигонизации не есть постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.
Рис. 8.4. Влияние нагрева деформированного металла на механические особенностей
Рис. 8.5. Изменение структуры деформированного металла при нагреве
При нагреве до высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.
Рекристаллизация – роста новых и процесс зарождения недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким трансформацией свойств и микроструктуры. Нагрев ведет к резкому понижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Кроме этого понижается электросопротивление и увеличивается теплопроводность.
1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) содержится в росте центров новых и образовании кристаллизации равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна появляются у границ ветхих зерен и блоков, где решетка была самый искажена. Количество новых зерен понемногу возрастает и в структуре не остается ветхих деформированных зерен.
Движущей силой первичной рекристаллизации есть энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Совокупность пытается перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.
2 стадия – собирательная рекристаллизация содержится в росте появившихся новых зерен.
Движущей силой есть поверхностная энергия зерен. При небольших зернах поверхность раздела громадная, исходя из этого имеется громадной запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая длина границ значительно уменьшается, и совокупность переходит в более равновесное состояние.
Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления
,
для металлов
для жёстких растворов
для металлов высокой чистоты
На свойства металла громадное влияние оказывает размер зерен, оказавшихся при рекристаллизации. В следствии образования больших зерен при нагреве до температуры t1 начинает понижаться прочность и, в особенности существенно, пластичность металла.
Главными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, длительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна по окончании рекристаллизации
С увеличением температуры происходит укрупнение зерен, с повышением времени выдержки зерна кроме этого укрупняются. самые крупные зерна образуются по окончании незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию именуют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.
Фактически рекристаллизационный отжиг выполняют дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для бронз и латуней – 560…700oС, для алюминевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС.
Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния железо – углерод.
Структуры железоуглеродистых сплавов
чугуны и – Железоуглеродистые сплавы стали – наиболее значимые железные сплавы современной техники. стали и Производство чугуна по количеству превосходит производство всех других металлов совместно забранных более чем вдесятеро.
Диаграмма состояния железо – углерод дает главное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. во второй половине 60-ых годов девятнадцатого века. Чернов в первый раз указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.
Диаграмма железо – углерод обязана распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – . Каждое устойчивое химическое соединение возможно разглядывать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике используют железные сплавы с содержанием углерода до , то разглядываем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода.
Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 9.1.
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, цементит и углерод.
1. Железо – переходный металл серебристо-яркого цвета. Имеет большую температуру плавления – 1539o С 5o С.
В жёстком состоянии железо может пребывать в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В промежутке температур 911…1392o С устойчивым есть с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и именуется либо высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. превращения и 911Критическую температуру обозначают точкой , а температуру 1392o С превращения — точкой А4.
При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.
Железо технической чистоты владеет низкой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – ) и высокими чертями пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Особенности смогут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.
Рис. 9.1. Диаграмма состояния железо — цементит
фазы и Компоненты железоуглеродистых сплавов
Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его базе, снабжая высокую жесткость подробностей из этих сплавов.
Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, водородом и азотом – растворы внедрения.
2. Углерод относится к неметаллам. Владеет полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) либо в форме бриллианта со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).
В сплавах железа с углеродом углерод будет в состоянии жёсткого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).
3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита складывается из последовательности октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.
Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные особенности теряет при температуре около 217o С.
Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но очень низкую, фактически нулевую, пластичность. Такие особенности являются следствием сложного строения кристаллической решетки.
Цементит способен образовывать жёсткие растворы замещения. Атомы углерода смогут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Таковой жёсткий раствор на базе решетки цементита именуется легированным цементитом.
Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Данный процесс имеет ответственное практическое значение при структурообразовании чугунов.
В совокупности железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.
1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо отлично растворяет углерод в произвольных пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Феррит (Ф) (C) – жёсткий раствор внедрения углерода в -железо.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), большую – 0,02 % при температуре 727o С ( точка P). Углерод находится в недостатках решетки.
При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит ( ) ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)
Свойства феррита близки к особенностям железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – ) и пластичен (относительное удлинение – ), магнитен до 768o С.
3. Аустенит (А) (С) – жёсткий раствор внедрения углерода в -железо.
Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), большую – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).
Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен.
При растворении в аустените вторых элементов смогут изменяться свойства и температурные границы существования.
4. Цементит – черта дана выше.
В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические особенности этих фаз однообразны. Влияние на механические особенности сплавов оказывает различие в размерах, расположении и количестве этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде больших пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и находится в виде сетки около зерен аустенита (при охлаждении – около зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде небольших включений находится у границ ферритных зерен.
Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов
Линия АВСD – ликвидус совокупности. На участке АВ начинается кристаллизация феррита ( ), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.
линия и – Линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита ( ). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее появившимися кристаллами феррита ( ), в следствии чего образуется аустенит:
На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода преобразовывается в эвтектическую смесь цементита и аустенита первичного:
Эвтектика совокупности железо – цементит именуется ледебуритом (Л), по имени германского ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.
При температуре ниже 727o С в ледебурит входят цементит первичный и перлит, его именуют ледебурит перевоплощённый (ЛП).
По линии HN начинается превращение феррита ( ) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита ( ) в аустенит заканчивается.
По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.
По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное понижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.
По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения.
По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, преобразовывается в эвтектоидную смесь цементита и феррита вторичного:
По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в жёстком состоянии.
Эвтектоид совокупности железо – цементит именуется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.
Наименование взял за то, что на полированном и протравленном шлифе отмечается перламутровый блеск.
Перлит существует в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.
По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное понижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.
Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах совокупности железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.
Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):
А1 – линия PSK (7270С) – превращение П А;
A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения;
A3 – линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;
A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение ;
Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (время от времени обозначается A3).
Так как при охлаждении и нагреве превращения совершаются при разных температурах, дабы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве додают букву с, т.е , при охлаждении – букву r, т.е. .
Структуры железоуглеродистых сплавов
Все сплавы совокупности железо – цементит по структурному показателю дробят на две чугуны и: большие группы стали.
Особенную группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их именуют техническое железо. Микроструктуры сплавов представлены на рис.9.2. Структура таких сплавов по окончании окончания кристаллизации состоит либо из зерен феррита (рис.9.2 а), при содержании углерода менее 0,006 %, либо из кристаллов цементита и зёрен феррита третичного, расположенных по границам зерен феррита (рис.9.2.б), в случае, если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.
Рис.9.2. Микроструктуры технического железа: а – содержание углерода менее 0,006%; б – содержание углерода 0,006…0,02 %
Углеродистыми сталями именуют сплавы железа с углеродом, которые содержат 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.
Они владеют высокой пластичностью, в особенности в аустенитном состоянии.
Структура сталей формируется в следствии перекристаллизации аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь ; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь .
По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные , структура феррит + перлит (рис.9.3 а); эвтектоидные , структура перлит (П), перлит возможно пластинчатый либо зернистый (рис. 9.3 б и 9.3 в); заэвтектоидные , структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка находится около зерен перлита.
По микроструктуре сплавов возможно примерно выяснить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите образовывает 0,8 %, в цементите – 6,67 %. Ввиду малой ратворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.
Сплавы железа с углеродом, которые содержат углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), именуют чугунами.
Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства.
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны именуются белыми чугунами.
Микроструктуры белых чугунов представлены на рис. 9.4.
