Введение 5 Кристаллическое строение вещества icon

Введение 5 Кристаллическое строение вещества


НазваниеВведение 5 Кристаллическое строение вещества
страница4/5
Дата публикации18.04.2013
Размер0.85 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5




Степень деформации при испытании на сжатие (рис.51),:

и , где H0 и H – начальная и конечная высота.

Условным напряжением называется отношение действующей силы к исходному сечению образца во всем интервале деформаций, вплоть до разрушения.

Истинным напряжением называется отношение действующей силы к

истинному значению площади поперечного сечения образца в каждый момент времени, учитывая изменение этой площади в процессе деформации. Так, например, при растяжении образца его сечение постоянно уменьшается,

а с некоторого момента образуется местная шейка, по которой и происходит разрушение.

Диаграмма на рис. 49,«а» имеет несколько характерных участков. При малых напряжениях наблюдается линейная зависимость деформации  от напряжения  ( участок ОА). Особенностью этого участка является то, что после снятия нагрузки форма и размеры образца восстанавливаются, т. е. деформация является упругой. Для металлов упругая деформация у  1%. Напряжение в точке «А» называется пределом упругости у. На этом участке металл подчиняется закону Гука:  = Е, где Е-модуль упругости материала.

За пределами упругой области деформация переходит в пластическую область (участок «АС»). Напряжение т, соответствующее началу пластического течения металла и появлению остаточной деформации, называется пределом текучести. При достижении этого напряжения деформация может возрастать без увеличения нагрузки. Площадка текучести (участок «ВС») наблюдается не у всех металлов.

Точка «Д» на диаграмме соответствует разрушению образца, а напряжение в в этой точке называется пределом прочности.

Диаграмма истинных напряжений (риса.49, б) имеет монотонный, постоянно возрастающий характер.

Зависимость величины истинного напряжения в пластически деформируемом теле от величины деформации называется кривой упрочнения. Кривые упрочнения строят по данным испытания образцов на растяжение или осадку.

Если в этих испытаниях имеет место линейное напряженное состояние, то напряжение текучести определяется как s = Р / Fи ,

где Fи - истинная площадь сечения образца в данный момент. Поэтому напряжение текучести (обозначается s) называют истинным, в отличие от условного предела текучести (обозначается т).

При испытании на растяжение линейное напряженное состояние существует лишь до начала образования шейки, после чего нарушается равномерность распределения деформаций, и напряженное состояние становится объемным. Поэтому построение кривой упрочнения для деформаций, больших, чем до начала образования шейки, затрудняется и возможно лишь с определенным приближением.

При испытании на осадку нет ограничения по величине деформации, однако необходимо исключить влияние контактного трения, чтобы напряженное состояние оставалось линейным. Л.А. Шофман предложил способ, исключающий влияние контактного трения при определении напряжения текучести. Суть способа состоит в том, что испытывается несколько образцов на осадку с различным соотношением d / h и определяется напряжение текучести sи = Р/ Fи. путем экстраполяции зависимостей s = f (d / h) на абсциссу d / h = 0 при одинаковых степенях деформации (см. рис. 52). Для всех образцов отмечалось напряжение 1, соответствующее одной и той же степени деформации (например, 1). Далее строилась функция 1 = f (d/h) и экстраполировалась на d/h = 0. Полученное истинное значение  соответствовало деформации 1 (см. рис. 52).


d


h

d1 / h 1 d2 / h2 d3 / h3


1 23

1



1 1 1

1 при d / h =0 d1/h1, d2/h2, d3/h3


Рис.52




Кривые упрочнения подразделяют на кривые 1 и 2 рода. Это зависит от принятого показателя степени деформации.

Для кривых 1-го рода и , где  и  изменяются от 0 до .

Для кривых 2-го рода: и

где  и  изменяются от 0 до 1.


При испытании на растяжение зависимость  = f () можно выразить степенной функцией вида s = cn .

При  = ш , s = ш , где индекс «ш» показывает, что эти величины соответствуют началу образования шейки на растягиваемом образце.

Следовательно, с = и тогда .

Сила Р в любой момент растяжения до начала образования шейки

=,

,

n - n -  = 0, n (1-) = , . Для момента начала образования шейки ψ = .

Подставляя n в исходную формулу и заменяя в последней σш через σв получим , следовательно .


  1. Деформация при повышенных температурах


7.1. Возврат и рекристаллизация


Ранее было сказано, что при холодной деформации зерна получают разную по величине упругую деформацию, в результате чего после снятия внешних сил в металле возникают остаточные напряжения.

Если холоднодеформированное, т.е. упрочненное, тело нагреть, то происходит процесс, обратный упрочнению – разупрочнение. Процесс разупрочнения при нагреве до температуры (0,25 – 0,3) Тпл называется возвратом, а при нагреве выше 0,4 Тпл – рекристаллизацией. Здесь Тпл – абсолютная температура в градусах Кельвина. При нагреве до температуры возврата амплитуда тепловых колебаний атомов и их подвижность возрастают настолько, что становится возможным переход атомов из неравновесного положения в равновесное. В результате искаженная при холодном деформировании решетка частично восстанавливается, упругие деформации отдельных зерен уменьшаются и тем самым снимаются остаточные напряжения, возникшие при холодном деформировании.

Для прохождения процесса возврата, т.е. снятия остаточных напряжений и восстановления упруго искаженной кристаллической решетки, проводят термическую обработку, называемую низкотемпературным отжигом.

Возврат приводит к некоторому уменьшению сопротивления деформированию и к увеличению пластичности материала.

Если проводить деформирование при температурах возврата, то интенсивность упрочнения снижается по сравнению с холодным деформированием. Размеры и форма зерен при возврате не меняются, наблюдается текстура деформации.

Термообработка при более высоких температурах называется высокотемпературным (рекристаллизационным) отжигом и приводит к практически полному разупрочнению: зерна вытянутой формы становятся равноосными, уничтожаются текстура деформации и связанная с ней анизотропия свойств, значительно снижается сопротивление деформированию, увеличивается пластичность, полностью снимаются остаточные напряжения.

Рекристаллизация - это процесс зарождения и роста новых, т. е. неупрочненных, зерен из ориентированных вытянутых упрочненных зерен. Это связано с тем, что увеличение температуры поднимает энергетический потенциал атомов настолько, что последние получают возможность перегруппировок и интенсивного обмена местами.

Различают две стадии рекристаллизации – первичную и собирательную, которые протекают последовательно. Первичная стадия заключается в образовании зародышей и росте новых неупрочненных зерен. Зародышами новых зерен становятся имеющиеся в деформированном металле ячейки с относительно правильной решеткой. К правильным ячейкам-зародышам пристраиваются близлежащие атомы искаженной решетки и начинает расти новое зерно с правильной решеткой за счет поглощения атомов деформированного зерна. Вследствие одинаковых возможностей роста новых зерен во всех направлениях новые зерна, образующиеся из зародышей, равноосны. Собирательная рекристаллизация заключается в объединении первичных мелких зерен в крупные зерна.

Рекристаллизация происходит во времени и с некоторой скоростью, величина которой зависит от температуры и степени деформации. Чем выше то и другое, тем выше скорость рекристаллизации.

Если проводить деформирование металла при повышенных температурах, то пластическая деформация тела сопровождается протеканием двух противоположных процессов - упрочнения и разупрочнения. Величина упрочнения определяется физической природой материала и степенью деформации, степень разупрочнения – полнотой прохождения процесса рекристаллизации, зависящей от времени и скорости рекристаллизации. Совокупность значений температуры, скорости и степени деформации называют термомеханическим режимом обработки давлением. От него зависит конечная кристаллическая структура, которую будет иметь металл после деформирования.


^ 7.2. Объемная диаграмма рекристаллизации


Размеры зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависят от температуры Т0, степени  и скорости vd деформации. Величина зерна зависит также от времени выдержки металла при температуре выше Трекр..

На рис. 53 представлена объемная диаграмма рекристаллизации, показывающая размер зерна в зависимости от температуры и степени деформации.

Из диаграммы видно, что размер зерна уменьшается с увеличением степени деформации и увеличивается с увеличением температуры.

Особенностью процесса рекристаллизации является наличие критической степени деформации (не более 8-10 %), при которой наблюдается резкий рост размеров рекристаллизованных зерен, причем с повышением температуры критическая степень деформации уменьшается.

Это явление объясняется тем, что при малых степенях деформации рекристаллизация происходит в результате внутрикристаллитных процессов без нарушения оболочки зерен и межкристаллитного вещества. Вследствие этого увеличение размеров зерен затруднено.

При критических степенях деформации число центров кристаллизации остается небольшим, а межкристаллитное вещество частично разрушается, в результате чего соседние кристаллиты соприкасаются между собой и срастаются в крупные зерна. Дальнейшее повышение степени деформации приводит к увеличению числа центров кристаллизации, а, следовательно, и числа рекристаллизованных зерен, что при данном объеме тела влечет за собой уменьшение размеров зерен.





С увеличением температуры прочность межкристаллитного вещества все более уменьшается, и непосредственное соприкосновение кристаллитов происходит при все более малых степенях деформации. Этим объясняется то, что с повышением температуры критическая степень деформации смещается к началу координат.

Что касается относительного роста зерна с увеличением температуры при всех степенях деформации, то это объясняется тем, что с увеличением

температуры увеличиваются подвижность атомов и возможность их перехода от деформированных к новым равноосным зернам.

Рост новообразованных равноосных зерен происходит не только за счет слияния нескольких мелких зерен в одно крупное, но и за счет перехода атомов одного зерна через границу раздела к другому зерну. Причем на одном участке зерно может расти за счет другого зерна, а на другом участке поглощаться другим соседним зерном.

В результате рекристаллизационного отжига (вид термообработки поковок) металл, имеющий текстуру деформации, меняет ее на текстуру рекристаллизации, при которой равноосные рекристаллизованные зерна имеют одинаковые направления кристаллографических осей в пространстве. Это объясняется преимущественной ориентировкой кристаллографических осей у зародышей зерен.

Величина зерна в конечном продукте играет существенную роль в части механических свойств металла. Мелкозернистая структура повышает механическую прочность, усталость и ударную вязкость металла. Поэтому при пластическом деформировании и последующей термообработке необходимо выбирать такие режимы обработки, при которых образовывалась бы мелкозернистая структура.


    1. ^ Виды деформации при обработке давлением

Упрочнение (наклеп) и разупрочнение (рекристаллизация) при обработке давлением идут во времени с определенными скоростями. В зависимости от того, какой процесс будет преобладающим, результат деформации будет различным.

По С.И. Губкину различают холодную, неполную холодную, неполную горячую и горячую пластические деформации.

Холодную деформацию проводят при температурах ниже температуры возврата, она сопровождается упрочнением и изменением структуры металла. Возврат и рекристаллизация полностью отсутствуют.

Неполную холодную деформацию проводят при температурах возврата - (0,25-0,3) Тпл. Рекристаллизация отсутствует, но процесс возврата (снятие напряжений) успевает произойти. Ресурс пластичности у металла выше, а упрочнение практически соответствует упрочнению при холодной обработке.

Неполную горячую деформацию проводят при температурах, близких к температуре начала рекристаллизации (0,4 Тпл). Рекристаллизация протекает неполностью. Металл одновременно содержит два типа микроструктур, в поковке наряду с упрочненными деформированными зернами имеются разупрочненные рекристаллизованные. Это приводит к неравномерности деформаций при обработке.

Горячая деформация проводится при температурах выше температуры рекристаллизации. Рекристаллизация успевает произойти полностью, т.е. деформированные искаженные зерна полностью заменяются на новые равноосные зерна. В результате металл получает полностью рекристаллизованную равноосную структуру без каких либо следов упрочнения.

Горячая обработка имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с холодной.

Основные преимущества состоят в следующем.

  1. Меньшая опасность разрушения. Благодаря процессу рекристаллизации становится возможным весьма значительное пластическое формоизменениезаготовки до наступления разрушения. Существует ряд металлов (цинк, вольфрам, молибден и др.), которые ввиду чрезмерной хрупкости в холодном состоянии возможно обрабатывать только в горячем состоянии.

  2. Возможность применения оборудования меньшей мощности, т. к. в горячем состоянии отсутствует упрочнение и снижается критическое касательное напряжение, необходимое для скольжения.

  3. Устранение промежуточного отжига. При холодной деформации и значительном формоизменении накапливаются повреждения, микротрещины и др., что приводит к разрушению металла. Это заставляет повышать ресурс пластичности введением в техпроцесс промежуточных отжигов. При горячем деформировании отжиг происходит в процессе самой операции.

  4. Возможность получать мелкозернистую структуру, которая повышает прочность, ударную вязкость и усталостную прочность металла по сравнению с крупнозернистой структурой. Для этого горячую обработку нужно заканчивать при температурах лишь немного превышающих минимальную температуру рекристаллизации. В этом случае образовавшиеся новые рекристаллизованные зерна не успевают вырасти и структура получается мелкозернистой.

  5. Текстура и анизотропия свойств металла, деформированного в горячем состоянии всегда меньше выражены, чем в тех же самых металлах, деформированных вхолодную.

К недостаткам горячего деформирования следует отнести следующее.

  1. Трудность поддержания постоянной высокой температуры.

  2. Низкое качество поверхности.

  3. Снижение точности размеров поковок, необходимость учета усадки, угара.

  4. Неоднородность структуры и свойств поковок.


^ 8. Основные понятия и законы деформирования


8.1. Закон наименьшего сопротивления

Любая материальная частица деформируемого тела, имеющая возможность движения в разных направлениях, движется в направлении наименьшего сопротивления.

Для случая осадки между параллельными бойками перемещение любой точки тела в плоскости, перпендикулярной действию внешней силы, происходит по кратчайшей нормали к периметру сечения. Максимальную конечную деформацию тело получит в тех направлениях, по которым будет передвигаться наибольшее количество частиц.

Для призмы, изображенной на рис. 54, в плоскости, перпендикулярной действию силы, согласно принципу перемещения точек по кратчайшей нормали, прямоугольник можно разделить на два треугольника и две трапеции. Граничные линии между ними представляют собой линии раздела течения металла, т. к. нормали из этих точек в двух направлениях будут одинаковы.


Учитывая количество точек, лежащих на обозначенных стрелками направлениях течения, можно предполагать, что после некоторой осадки конечная форма тела получит вид, показанный пунктиром. При увеличении степени деформации периметр поперечного сечения тела стремится к эллипсу, а эллипс в дальнейшем преобразуется в круг, после чего движение точек будет происходить по радиусам.

Здесь реализуется принцип наименьшего периметра: любая форма поперечного сечения призматического или цилиндрического тела при осадке с наличием контактного трения стремится принять форму, имеющую при данной площади наименьший периметр (стремится к кругу).

Принцип наименьшего периметра справедлив, если величина коэффициента контактного трения значительна.

При осадке прямоугольного параллелепипеда между плоскими бойками без контактного трения (см. рис. 55) движение частиц носит радиальный характер, и поперечные сечения в процессе деформации остаются подобными исходному.


Рис.55


Из закона наименьшего сопротивления вытекает принцип минимума полной энергии деформации. Его можно сформулировать так: любое ограничение течению металла увеличивает энергию деформации, т.е. минимум энергии затрачивается тогда, когда формоизменение происходит без ограничения течению, по линиям наименьшего сопротивления.

Рассмотрим осадку в кольцах (рис. 56).

Кинематически возможные направления перемещения точек А, В и С это + Ur и - Ur . Опыт показывает, что точка А имеет перемещение + Urа , а т. С - Urс , т. е. часть металла течет к периферии, а часть к центру. Частицы типа точки В, где Ur = 0, образуют поверхность раздела течения.



Теперь ограничим возможность течения к периферии, надев наружное кольцо, или ограничим возможность течения к центру, заглушив отверстия в кольцах (см. рис. 57).

В этих случаях для частиц остается только одно возможное направление перемещения.

В случае отсутствия ограничения, когда частица А имела две степени свободы, она перемещалась к периферии по направлению + U r , что является для нее линией наименьшего сопротивления.

При введении наружного ограничения (кольцо) частица А движется к центру. Теперь для нее направлением наименьшего сопротивления является направление - Ur , но это направление уже не является направлением абсолютно наименьшего сопротивления.

Для деформации на h при одной степени свободы течения требуются большее усилие и, следовательно, большая энергия, чем при двух степенях свободы. Пример показывает, что между силой и характером формоизменения существует связь, т. е. Ад = f ( Dр ),

где Ад - работа деформирующей силы на пути h, Dр - линия раздела (Ur = 0).

Исследуя эту функцию на экстремум, можно отыскать значение Dр (линия раздела), соответствующее минимуму работы Ад. Обеспечив течение металла именно с этой линии раздела, можно добиться наилучшего протекания процесса.

1   2   3   4   5



Похожие:

Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconВведение 5 Кристаллическое строение вещества
При этом следует иметь в виду, что к одному и тому же результату можно прийти разными путями, т е технологический процесс в обработке...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconЭкзаменационные вопросы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»
Кристаллическое строение материалов. Элементарная кристаллическая ячейка. Типы кристаллических решеток
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconОтветы к 1 и 2 Вопросу Строение вещества
Хviii в и получила дальнейшее развитие в XIX в. Возникновение представлений о строении вещества позволило не только объяснить многие...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconКонтрольная работа №1 по теме «Строение вещества»
Атом углерода имеет степень окисления -3 и валентность 4 в соединении с формулой
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconВещества построены из атомов и молекул. Атом электри-чески нейтрален и состоит из «+» ядра и «-» электронов, вращ по орбитам вокруг ядра. Атом, лишившийся валент-ного электрона, становится «+» ионом, а присоединивший лишний электрон «-» ионом
Строение вещества. Понятия нейтрального атома, положительного и отрицательного ионов. Виды химических связей между атомами и молекулами....
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconМеханика тема Кинематика
История атомистических учений. Наблюдения и опыты, подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества. Масса и размеры молекул
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconРазпределение Мѣр Перехода
«уточнённость в направленности», «местопребывание в области», «половая принадлежность участка вещества», «количество участков вещества»,...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconКожа Строение кожи
Строение кожи. Кожа — наружный покров организма. Общая площадь кожи взрослого человека составляет 1,5—2 учитывая происхождение, строение...
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconВещества
Установите соответствие между формулой гомологического ряда и названием вещества, принадлежащего к нему
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconСтроение и состав нуклеиновых кислот : Нуклеиновые кислоты- полимеры, полинуклеотиды
Цель урока: Закрепить знания по строению белковых молекул и их физическим и химическим свойствам. Изучить строение рнк и ДНК
Введение 5 Кристаллическое строение вещества iconТеоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение
Этот эффект является результатом взаимо­действия электромагнитной волны с атомами вещества, через которое проходит волна. В 1962–1963...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы