Опишите механизм упругой и пластической деформации реального (поликристаллического металла).

Магнитные превращения

Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся Fe, Co, Ni и некоторые другие металлы. При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают. Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия. В отличие от полиморфного магнитное превращение не связано с изменением кристаллической структуры (перекристаллизацией) и с тепловым гистерезисом превращения. Магнитные превращения являются следствием изменений в строении внешних электронных оболочек атомов. Магнитные превращения обратимы, поскольку при охлаждении ниже точки Кюри ферромагнетизм восстанавливается и возрастает у Fe, Co, Ni (см. рис.1)

Рис.1. Зависимость ферромагнитных свойств Fe, Co, Ni от температуры

Для чистых металлов температуры магнитного и полиморфного превращений не идентичны. Так, у Fe магнитное превращение осуществляется при 768º С, тогда как полиморфное превращение при 911º С (при полиморфном превращении структура К8 переходит в К12, а при магнитном превращении эта структура сохраняется). У Co точка Кюри t>1000 º С и полиморфное превращение проходит при 420 º С (с переходом структуры Г12 в К12).

Вычертите диаграмму состояния системы медь-мышьяк. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите фазовый состав и структурные составляющие во всех областях диаграммы. Объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова-Матиссена.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы Cu-As

и изменения свойств сплавов по правилам Курнакова-Матиссена

В жидком состоянии компоненты диаграммы неограниченно растворимы. В твердом состоянии в зависимости от концентрации компонентов существуют: область твердого раствора мышьяка в меди (a), линии устойчивого химического соединения Cu₃As₅ и неустойчивого химического соединения Cu₂As₅, область твердого раствора на базе химического соединения (g) и области механических смесей. На диаграмме присутствуют три горизонтальных линии отвечающих температурам нонвариантных (изотермических) превращений. При достижении сплавом такой горизонтальной линии происходит превращение в котором участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю, поэтому температура превращения остается неизменной. При температуре 581^о происходит эвтектическое превращение, при котором из жидкости образуется эвтектическая смесь из кристаллов твердого раствора a и химического соединения Cu₃As₅: . При температуре 710^о происходит перитектическое превращение, при котором в результате взаимодействия жидкости и химического соединения Cu₃As₅ образуется химическое соединение Cu₂As₅ : . При температуре 504^о происходит эвтектическое превращение, при котором из жидкости образуется эвтектическая смесь из кристаллов As и химического соединения Cu₂As₅: . Свойства сплава зависят от того, какие соединения и какие фазы образуют компоненты сплава. Связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов показана на рис. 3 (нижняя часть). Общие закономерности изменения свойств согласно правилам Курнакова-Матиссена следующие: механическая смесь – свойства изменяются прямолинейно, твердые растворы – криволинейная зависимость и химическое соединение – свойства изменяются резко, скачком.

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,7% С.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус). При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линииECF образованием ледебурита. Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита. Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ЕS показывает температуры начала выдел пня цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67]. Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом. Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит). Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,7%С, называется чугуном. Его структура при комнатной температуре Перлит + Цементит + Ледебурит (П+Fe₃C).

а) б)

Рис.3. а – диаграмма железо-цементит;

б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,7% углерода

Опишите механизм упругой и пластической деформации реального (поликристаллического металла).

Упругой деформацией называют деформацию, влия­ние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызы­вает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла — путем сдвига (сколь­жения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке да­влением происходит в результате пластической деформации каждого зер­на. При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы не одинаково, и поэтому пластическая деформация не может протекать одно­временно и одинаково во всем объеме поликристалла. Первоначально под микроскопом на предварительно полированных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, эти линии одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен. При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму (рис. 3.1, а), после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, обра­зуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 3.1, б). Одновременно с из­менением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увели­чение угла разориентировки между ними. Рентгеноструктурный анализ показывает, что после деформации отдельные зерна и блоки упруго напря­жены (внутренние напряжения II рода), а кристаллическая решетка по гра­ницам зерен, блоков и вблизи плоскостей скольжения искажена (внутрен­нее напряжение III рода).

Рис. 3.1. Изменение формы зерна в результате скольжения (граница деформированного зерна, кажущаяся ровной благодаря ничтожно малым размерам пачек скольжения): а – схема и микроструктура металла до деформации; б - схема и микроструктура металла после деформации.

При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономер­ная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры (текстура деформации). Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентировку (текстуру). Характер тек­стуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волоче­ние и т. д.)

С увеличением степени холодной (ниже 0,15-0,2 Т_ПЛ) деформации свойства, ха­рактеризующие сопротивление деформации (s_в, s_т, HRB и др.), повышаются, а спо­собность к пластической деформации — пластичность уменьшается. Это явление роста упрочнения получило название наклепа.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Все дефекты кристаллического строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность. Наибольшее зна­чение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при .этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение. Стадия легкого скольжения при деформации поликристаллического метал­ла, в отличие от монокристаллов отсутствует. С самого начала пластической деформации происходит упрочнение металла, связанное со скоплением дислокаций у границ. Однако основное упрочнение при холод­ной пластической деформации поликристаллических металлов определяет­ся характером множественного скольжения в каждом зерне. Металлы с г. ц. к.-решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с о. ц. к.-решеткой. В результате холодной деформации уменьшается плотность, со­противление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная де­формация ферромагнитных металлов, например железа, повышает коэрци­тивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.