Пути повышения прочности металла

увеличение прочности металла при сохранении достаточной пластичности и вязкости повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин.

Принято различать техническую (фактическую) и теоретическую (расчетную) прочность металлов.

Под теоретической прочностью понимают сопротивлении деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Теоретическое значение прочности в 100 – 1000 раз больше технической прочности, вследствие существования дефектов в кристаллическом строении (дислокаций).

Минимальную прочность имеют чистые, отожженные металлы при плотности дислокации около 10⁶—10⁸ см^-2. С уменьшением количества дислокации сопротивление деформированию, т.е. прочность металла, возрастает и может достигать теоретического значения (металлические «усы» — нитевидные кристаллы толщиной 0,5 - 2 мкм и длиной до 10 мм с практически бездефектной структурой). «Усы» железа толщиной 1 мкм имеют σ_в = 13 500 МПа, т.е. почти теоретическую прочность. Из-за малых размеров «усы» применяют ограниченно. Увеличение размеров «усов» приводит к появлению дислокаций и резкому снижению прочности.

Правее точки 1 (рис. 73) с увеличением количества дислокаций прочность металлов возрастает. Это используют при таких способах упрочнения, как легирование, термическая обработка, холодная пластическая деформация и т.д. Основными причинами упрочнения являются увеличение количества (плотности) дислокаций, искажение кристаллической решетки, возникновение напряжений, измельчение зерен металла и т.д., т.е. все то, что затрудняет свободное перемещение дислокаций.

Предельная плотность дислокаций для упрочненного металла составляет около 10¹⁰ – 10¹² см^-2. При большей плотности в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение.

Таким образом прочность повышают:

1. Созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой;

2. Повышением плотности дефектов, затрудняющих движение дислокаций (наклеп, легирование, термообработка).

Наклеп

Наклепом называется изменение свойств металла в результате холодной пластической деформации. Из рис. 86 видно, что с увеличением степени пластической деформации повышается прочность и твердость, т.е. происходит упрочнение металла, его нагартовка. Наряду с этим понижается пластичность и вязкость металла, т.е. происходит его охрупчивание.

рис. 11. Влияние деформации на свойства металлов

1 – прочность, 2 – твердость, 3 – пластичность, 4 – вязкость

Возврат

Около 10 - 15% всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем в виде повышенной потенциальной энергии смещенных атомов, напряжений. Таким образом, деформированный металл находится в неравновесном, неустойчивом состоянии. Переход к более равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов. При низких температурах подвижность атомов мала и состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго. С повышением температуры диффузия атомов увеличивается и в металле начинают развиваться процессы, приводящие его к более равновесному состоянию. Это явление называют возвратом.

Рекристаллизация

При повышении температуры подвижность атомов возрастает и при достижении определенной температуры образуются новые равноосные зерна. до температуры (Т_рек) (температурный порог рекристаллизации) сохраняется деформированное зерно (1). При температуре Т_рек в деформированном металле образуются и растут зародыши (2) новых зерен с неискаженной решеткой и значительно меньшей плотностью дефектов. При нагреве наклепанного металла старое зерно не восстанавливается, а появляется новое. Это явление называется первичной рекристаллизацией.

У сплавов Т_рек максимально до 0,6 Т_пл, у чистых металлов Т_рек мин. до 0,2 Т_пл. Увеличение степени наклепа способствует снижению Т_рек.

Разупрочнение объясняется снятием искажения кристаллической решетки и резким уменьшением плотности дислокаций.

После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизационных зерен за счет других (3). Это явление называется собирательной рекристаллизацией.

При температуре выше t_l (4) пластичность уменьшается, что объясняется сильным ростом зерна – явление перегрева при рекристаллизации.

1 2 3 4

Строение сплавов

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Возможны и другие способы приготовления сплавов - спекание, электролиз, возгонка (в этом случае вещества называются псевдосплавами), но наиболее распространенным является производство сплавов путем сплавления разных веществ.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

Если в твердом состоянии нет химического взаимодействия между компонентами, образующими сплав, тогда строение сплава является механической смесью отдельных частиц или зерен этих компонентов.

Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы.

3.1. Механическая смесь

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В (рис. 78), отчетливо выявляемых на микроструктуре (если они достаточно крупного размера).

Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В. Если бы исследовать в таком сплаве отдельно свойства кристаллов А и кристаллов В, то они были бы тождественны свойствам чистых металлов А и В.

3.2. Химическое соединение

При образовании химического соединения соблюдаются следующие условия:

1) соотношение чисел атомов элементов соответствует пропорции, которая может быть выражена формулой А_nВ_m,

2) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.

Химическое соединение также характеризуется определенной температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава.

Кристаллическая решетка хим. соед. NaCI (отношение 1:1)

3.3. Твердый раствор

В жидком состоянии большинство металлических сплавов, применяемых в технике, представляет собой однородные жидкости, т.е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность и растворимость сохраняются. Твердая фаза, образующаяся в результате кристаллизации такого сплава, называется твердым раствором.

Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (один тип решетки) (рис. 80).

Рис. 80. Микроструктура твердого раствора (схема)

Следовательно, в отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. Здесь возможны два различных случая:

1. Твердые растворы замещения. Металл А имеет, например, решетку, изображенную на рис. 81, а. Растворение компонента В в металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В в решетке основного металла (рис. 81,б).

2. Твердые растворы внедрения. Атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А, как это схематически показано на рис. 81, в.

При образовании растворов внедрения и замещения, атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

У элемента растворителя сохраняется решетка. Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В. Следовательно, если увеличивается концентрация атомов В, то все больше и больше атомов В будет находиться в узлах решетки вместо атомов А до тех пор, пока все атомы А не будут заменены атомами В и, таким образом, как бы плавно совершится переход от металла А к металлу В (рис. 84). Это, конечно, возможно при условии, если оба металла имеют одинаковую кристаллическую структуру, т.е. оба компонента являются изоморфными.

вторым условием образования неограниченных твердых растворов является достаточно малое различие атомных размеров компонентов.