Материаловедение

1. Различие между холодной и горячей пластической деформацией.

Деформацией называется изменение  размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации различают на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов на значительные рассстояния от исходных положений равновесия.

Способность металлов пластически  деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.

Упрочнение металла при  деформировании называют наклепом. В  результате холодного пластического деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства. Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличивается  прочностные характеристики (твердость, временное сопротивление, предел текучести, предел упругости) и понижаются пластичность и вязкость. Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является

предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3-7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь, никель, а алюминий упрочняется незначительно).

С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое  сопротивление, коэрцитивная сила, понижаются магнитная проницаемость, остаточная индукция и плотность металла.

Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения  плотности, что служит причиной появления  остаточных напряжений – как растягивающих, так и сжимающих.

Наклепанные металлы легче  корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию.

Образование текстуры деформации вызывает анизотропию свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методоми холодной обработки давлением.

Снижение пластичности при  наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.)

Неравновесная структура, созданная  холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25⁰ С. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

Процессы, происходящие при  нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделении

ем теплоты и уменьшением  свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3Т_пл), рекристаллизация – при более высоких(0,7-0,75Т_пл).

Возвратом называют все изменения  тонкой структуры и свойств, которые  не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяется.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен  с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего  равноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых  и полигонизацию.Отдых в при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее  в зависимости от температуры. Холодное деформирование  проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование проводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если ректисталлизация не устраняет наклеп. То он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет  наклеп.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением  размера зерен вязкость улучшается. Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформациии от температуры, при которой происходила рекритсталлизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Сверхпластичное состояние металла проявляется при горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5-10мкм). При низких скоростях деформирования (10^-5 – 10^-1с^-1) металл течет равномерно, не упрочняясь, относительные удлинения достигают 10² – 10³%.

Огромные деформации в  сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен. Для того, чтобы реализовать сверхпластичное состояние, требуется не только получить ультрамелкие зерна, но и сохранить эту структуру в течение всего периода деформирования при температуре выше 0,5Т_пл (порядка десятков минут). В однофазных сплавах зерна твердого раствора успевают вырасти за это время так, что сверхпластичность теряется. Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов обеих фаз 1:1; при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелкозернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу таких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные смеси, двухфазные сплавы титана и т.п.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность процесса формования и сравнительно высокие рабочие температуры, процесс выгоден, а в ряде случаев является единственным способом получения изделий, когда металл нужно без разрушения деформировать на 200-300% и выше.

2. Начертить диаграмму состояния железо-цементит с указанием во всех ее областях фаз и стуктурных составляющих. Рассмотреть формирование структуры при охлаждении из жидкого состояния сплава, содержащего 2,2%С. В произвольной точке этого сплава между линиями ликвидус и солидус определить содержание углерода в фазах и их количество.

Рисунок №1

Доэвтектический чугун с содержанием С=2,2%

а – 1 простое охлаждение жидкости

1 – 2 Ж_1-2 – А_1-2 – происходит кристаллизация  аустенита, жидкость превращается в аустенит

2 – 3 А_2-3 + Ц_2-3=Л – образуется ледебурит

Т3 а)достигая этой точки чугун состоит из перлита и цементита, которые образуют ледебурит

      б)после окончания, чугун состоит из ледебурита

       Ниже  точки 3 превращений нет.

Определим содержание углерода в фазах и их количество.

 Q – общее количество сплава(100%); Q_Ф – количество феррита; Q_А – количество аустенита

Q_А /Q = ac/ bc                      bc=58 мм  ac=35 мм    ab=22 мм

Q_Ф /Q = ab/ bc

Вычислим

Q_А /100% = 35/58 → Q_А = 60,34 %

Q_Ф /100% = 22/58 → Q_Ф = 37,93 %

Железо и углерод –  элементы полиморфные.

Железо с температурой плавления 1539⁰С имеет две модификации –α и γ. Модификация  Fe _α существует при температурах до 911⁰С и от 1392 до 1539⁰С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм ( при температуре 20-25⁰С). Важной особенностью Fe _α является его ферромагнетизм ниже ттемпературы 768⁰С, называемой точкой Кюри.

Модифификация Fe_γ существует в интервале температур от 911 до 1392⁰С и имеет ГЦК решетку, которая более компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при  переходе Fe _α в Fe_γ объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_γ парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой  жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C характеризует фазовый состав и превращения в системе железо-цементит (6,69%С). Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице 1.

Таблица – 1. Характерные  точки диаграммы состояния железо-цементит.

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D- температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах  системы Fe-Fe₃C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии.Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL). Цементит, выделяющийся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющийся из аустенита, - вторичным; цементит, выделяющийся из феррита, - третичным. Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES – линией вторичного цементита; PQ- линией третичного цементита. В системе железо-цементит происходят три изотермических превращения:

Перитектическое превращение на линии HJB (1499⁰С)

Ф_н + Ж_в A_j;

Эвтектическое превращение  на линии ECF (1147⁰С)

Ж_с;

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727⁰С)

А_s

Эвтектическая смесь аустенита  и цементита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом.

Эвтектоид – перлит (содержит 0,8%С) и эвтектику – ледебурит (4,3% С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие , оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей : σ_в=800÷900 МПа;  σ_0,2=450 МПа;  δ≤16%; HB 1800-2200. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, а при температуре 20-25⁰С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (HB 6000) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие до 2,14% С и чугуны.

Кристаллизация сталей. Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при температуре 1539⁰С, а сплавов железа с углеродом – в интервале температур. Рассмотрим сначала верхний участок диаграммы состояния, где происходит перитектическое превращение (рисунок 2)

Сплав Ι, содержащий менее 0,1%С, не испытывает перитектического превращения. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом составы жидкой фазы и феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале температур точек 3-4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сплав ΙΙΙ, содержащий 0,16%С при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8-9, образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки Н, а оставшаяся жидкость – состав точки В. При температуре 1499⁰С протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идет изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Сплавы типа ΙΙ имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16%. В интервале  температур точек 5-6 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве ΙΙ содержатся избытки феррита. В  результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

Ф_н + Ж_в = А_j + Ф_н(ост).

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сплавы типа ΙV содержат углерод  от 0,16 до 0,51%. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы, по сравнению со сплавом   ΙΙΙ. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

Ф_н + Ж_в = А_j + Ж_в(ост).

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JE.

Таким образом, все рассмотренные  сплавы, лежащие ниже линий NJ и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру.

Превращения сталей в твердом  состоянии. Большинство технологических  операций (термическая обработка, обработка  давлением и др.) проводят в твердом  состоянии, поэтому рассмотрим более  подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рисунок 3).

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02%С (точка Р диаграммы), называют техническим железом.

Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав Ι), то при охлаждении от температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная  структура сохраняется вплоть до температуры 20-25%С (рисунок 3а)

При содержании углерода в  техническом железе больше 0,0002%, как  в сплаве ΙΙ, после образования  феррита, начиная с температуры  точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ). Конечная структура будет двухфазной: феррити третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

При температуре 20-25⁰С третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002%С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.

Сплав ΙΙ (рисунок 3б) с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02%С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы, и число степеней свободы равно 0.

Сплав Ι (рисунок 3б) с содержанием  углерода менее 0,8% называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1-2. При температуре точки b фазовый состав сплава А_с+Ф_а. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bc.

При температуре точки 2 сплав  имеет фазовый состав А_s + Ф_р с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S.

 В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделив

шимся ранее феритом образет конечную структуру стали.

Количественное соотношение  между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода.Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав ΙΙΙ – заэвтектоидная сталь (>0,8%С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3-4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_ΙΙ). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленом охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки. Максимальное количество структурно свободного цементита ( 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Превращение чугунов. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами.

Сплав ΙΙ (рисунок 4) – эвтектоидный белый чугун (4,3%С) кристаллизуется при эвтектической температуре изотермическис одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь этих фаз названа ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен и определяется отношением отрезков Ц / А_Е = ЕС /СF.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените  изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8%. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит.

В доэвтектических белых чугунах (4,3%С) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве Ι этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется  эвтевтика (ледебурит) по реакции

Ж_С + А_Е А_Е + Ц] + А_Е.

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и  входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при температуре 727⁰С превращается в перлит.

Сплав ΙΙΙ – заэвтектический белый чугун (4,3% С). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита, который выделяется в интервале температур точек 5-6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве ΙΙ.

3. Термо- и реактопласты. В чем их различие по структуре и свойствам

Пластическими массами или  просто пластмассами называют материалы, изготовленные на основе полимеров.

Термопластичные пластмассы (термопласты) в отличие от термореактивных нашли более широкое применение и производятся в больших количествах. Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в пленку, волокна и изделия из волокна, которые трудно или вовсе невозможно изготовить из термореактивных полимеров.

Поведение пластмассы под  нагрузкой имеет очень сложный  характер. Изменения внешних условий  и скоростей деформирования, которые  совсем не отражаются на механических свойствах металлических сплавов, резко изменяют механические свойства термопластичных полимеров и пластмасс. Чувствительность механических свойств термопластов к скорости деформирования, времени действия нагрузки, температуре, структуре является их типичной особенностью.

Стеклообразные термопласты  при растяжении, как правило, сильно вытягиваются. При разрыве остаточная деформация составляет десятки и сотни процентов. Эта деформация называется вынужденной высокоэластичной; она возникает в результате вытягивания скрученных макромолекул под действием нагрузки. При растяжении материал начинает течь, в образце появляется шейка. При разрыве образца вынужденная высокоэластичная деформация не падает до нуля, так как в стеклообразном состоянии растянутые макромолекулы не могут скручиваться и сохраняют полученную вытяжку. Чем больше молекулярная масса полимера, тем больше общая деформация перед разрывом.

Особенности механических свойств  термопластов:

1. Зависимость от температуры. При нагреве уменьшается прочность, пластмассы становятся более вязкими и склонными к ползучести.

2. Вблизи температуры стеклования (или температуры кристаллизации для кристаллических термопластов) теряется несущая способность. Полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид при температурах ниже 100⁰С теряют прочность так сильно, что их нельзя использовать как конструкционные материалы уже и при 50⁰С.

При  охлаждении ниже 25⁰С прочность растет, но одновременно увеличиваются хрупкость и чувствительность к надрезам.

3. Зависимость от длительности нагружения. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность, появляется остаточная деформация. Эта деформация представляет собой вынужденную высокоэластичную деформацию. При статическом нагружении в течение года временное сопротивление понижается вдвое.
4. Зависимость от скорости деформирования.При увеличении скорости деформирования повышается жесткость пластмасс, так как не успевает развиваться высокоэластичная деформация, и возрастает склонность к хрупкому разрушению.
5. Зависимость от структуры. Пластмассы с ориентированной молекулярной структурой анизотропны. Вытяжка термопластов в 2-4 раза увеличивает их прочность вдвое. Прочность максимальна вдоль ориентированных вытянутых молекул, а в поперечном направлении – уменьшена. Ориентация молекул – одна из причин растрескивания изделий, особенно под влиянием некоторых растворителей и других активных сред.

Модули упругости термопластичных  полимеров и пластмасс в 10-100 раз  меньше, чем у металлов и керамики. Наиболее жесткие полистирол и органическое стекло при 25⁰С имеют модули упругости соответственно 3,5*10³ и 3,3*10³ Мпа, а наименее жесткий полиэтилен имеет модуль упругости всего 1,8*10³ Мпа, да и то при -50⁰С.

Прочность термоластов находится в пределах 10-100 Мпа. Этого вполне достаточно для многих целей, несмотря на то, что допускаемые напряжения не превышают 10 Мпа. Термопластичные пластмассы хорошо сопротивляются усталости, а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. Предел выносливости равен 0,2-0,3 временного сопротивления. Однако, когда нагрузка изменяется с частотой выше 20 Гц, пластмассы разрушаются быстро из-за поглощения энергии, разогрева и уменьшения прочности.

Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в  качестве наполнителя 20-30% стеклянного  волокна. При этом сохраняется возможность  переработки термопластов с использованием литья под давлением и экструзии. Наполненные пластмассы отличаются высокой стабильностью размеров под действием нагрузки, повышенной прочностью, но хуже сопротивляются ударам.