Что влияет на размер зерна
Кристаллизация металлов и сплавов. Факторы, влияющие на величину и форму зерна.
Кристаллическое строение металлов, типы кристаллических решеток
Металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ионов, вокруг которых по орбитам вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико. Эти электроны имеют возможность «свободно» перемещаться по всему объѐму металлической кристаллической решетки, связывая как нейтральные атомы, так и положительно заряженные ионы. Наиболее распространены три вида кристаллических решеток металлов.
Отличительной особенностью кристаллических тел является то, что составляющие их атомы расположены в строго определенном порядке и образуют так называемую пространственную кристаллическую решетку.
Тела, в которых атомы расположены хаотически, т. е. в беспорядке, называются аморфными. К ним относятся: клей, пластмассы, стекло и др. От расположения атомов в кристаллической решетке зависят свойства металла. 
В кубической объемноцентрированной решетке расположено девять атомов. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден, ванадий и железо при температуре до 910° С.
В кубической гранецентрированной решетке расположено 14 атомов. Такую решетку имеют: медь, свинец, алюминий, золото, никель и железо при температуре 910—1400° С. В гексагональной плотноупакованной решетке расположено 17 атомов. Такую решетку имеют: магний, цинк, кадмий и другие металлы.
Расстояние между атомами в кристаллической решетке может быть различным по разным направлениям. Поэтому и свойства кристалла по разным направлениям не одинаковы. Такое явление называется анизотропией. Все металлы — тела кристаллические, поэтому они являются телами анизотропными. Тела, у которых свойства во всех направлениях одинаковые, называются изотропными.
Кусок металла, состоящий из множества кристаллов, обладает в среднем свойствами, одинаковыми во всех направлениях, поэтому он называется квазиизотропным (мнимая изотропность).
Анизотропность имеет большое практическое значение. Например, путем ковки, штамповки, прокатки в деталях получают правильную ориентацию кристаллов, в результате чего вдоль и поперек детали достигаются различные механические свойства. С помощью холодной прокатки добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении детали.
Кристаллизация металлов и сплавов. Факторы, влияющие на величину и форму зерна.
Кристаллизация – это переход вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое; заключается в образовании кристаллических зародышей и их росте при достижении расплавом определенной температуры. Процесс кристаллизации сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, и поэтому в процессе охлаждения в начале кристаллизации скорость охлаждения уменьшается. Кристаллизация металлов идет при постоянной температуре. Жидкий металл при охлаждении не испытывает качественных изменений: кривая охлаждения идет плавно. При достижении теоретической температуры кристаллизации на кривые охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Когда закончится процесс кристаллизации, кривая охлаждения снижается опять плавно. В жидком металле происходит непрерывное движение атомов. С понижением температуры движения атомов замедляются. Они начинают сближаться, группироваться, образуя зародыши или центры кристаллизации. Процесс образования этих зародышей идет непрерывно, но наряду с ним происходит и процесс роста образовавшихся кристаллов. При небольшом переохлаждении образуется малое количество крупных кристаллов, при большом — образуется значительное количество мелких кристаллов. Это находит место в практике литейного производства: при литье тонкостенных деталей получается мелкозернистая структура, а при литье деталей с толстыми стенками — крупнозернистая. Кристаллизация сплавов при снижающейся, характер изменения которой (во времени) определяется диаграммой фазового состояния. Процесс кристаллизации сплавов отличается от процесса кристаллизации чистых металлов: у большинства сплавов на кривой охлаждения имеется две горизонтальные площадки, т.е. процесс кристаллизации происходит в интервале температур T1 — T2, где T1 — температура начала кристаллизации и T2—температура конца кристаллизации. Интервал температур с температуры начала до температуры конца кристаллизации называется температурным интервалом кристаллизации. В этом интервале сплав состоит из смеси жидкой и твердой (или твердых) фаз.
Факторы, влияющие на величину зерна. Большинство металлов кристаллизуется с переохлаждением, причем степень переохлаждения у разных металлов различна. Важнейшим фактором, влияющим на величину зерна при кристаллизации, является степень переохлаждения. Степень переохлаждения определяет число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. От числа центров и скорости роста кристаллов зависит величина зерна. При большом числе центров и незначительной скорости роста зерна будут мельче, при малом числе центров и большой скорости роста — крупнее. Если степень переохлаждения невелика, то число центров получается небольшое, а скорость роста кристаллов велика. Поэтому при медленном охлаждении получаются крупные зерна. При большой степени переохлаждения образуется большое число центров, а скорость роста невелика. Следовательно, при быстром охлаждении зерна будут мельче.
На величину зерна влияют также следующие факторы.
1. Высокая температура вызывает рост зерна. Этим объясняется «перегорание» электрических ламп: под действием высокой температуры происходит рост зерен и ослабление связи между ними, что приводит к обрыву нити.
2. Отсутствие внутренних препятствий способствует росту зерен. Если в расплавленный металл ввести мельчайшие частицы, называемые модификаторами, то они, являясь добавочными центрами кристаллизации, будут способствовать получению мелкого зерна и препятствовать росту зерен. Поэтому в стали, выплавленной с добавкой алюминия, не происходит роста зерна до температуры 950°, а введение в расплавленный вольфрам мельчайших частиц окиси тория предохраняет электролампы от «перегорания».
3. Разрушение зерна, например при ковке и штамповке, происходит из-за разрушения оболочки, препятствующей росту зерна. Поэтому для предотвращения роста зерна применяют после ковки и штамповки термическую обработку — например отжиг.
Размер зерна и его влияние на свойства материалов (металлов).
Имея подобный вид структуры, можно судить о расположении, форме и величине зерен, составляющих металл, и даже давать количественную оценку размерам зерен, т. е. определять их величину.
Эту величину принято характеризовать обычно средней площадью сечения каждого зерна, поскольку на шлифах наблюдаются всегда только сечения зерен, а не их пространственные размеры.
Полагая в общем случае, что все зерна одинаковы и в среднем могут быть уподоблены шарам (равноосны), для определения их величины измеряют некоторую площадь наблюдаемой структуры F и подсчитывают число N сечений зерен, наблюдаемых на этой площади. Частное от деления ^- будет представлять среднюю величину
зерна, выражаемую чаще всего в квадратных микронах (р.2).
Подробности об измерении зерен в металлах даются в практических руководствах. Следует отметить лишь примерные масштабы для суждения о размерах зерен. Весьма мелкие зерна (м и к р о-скопические, примерно, как изображенные на фиг. 23) имеют размеры порядка нескольких сот квадратных микрон; зерна крупные, макроскопические, можно выражать уже квадратными миллиметрами (10°р-2) и более.
Иногда величину зерен характеризуют средним диаметром, уподобляя их внешнюю форму шару. Размер зерна имеет весьма существенное влияние на свойства металла. В практике уже давно замечено, что крупные зерна большей частью сопровождаются пониженным механическим качеством металла; могут изменяться и прочие свойства, что находит объяснение отчасти в большем или меньшем развитии границ между зернами-кристаллами.
Влияние границ зерен на свойства металла в целом сказывается прежде всего в том, что эти границы являются поверхностями раздела зерен, в которых частицы (атомы) самого металла уже энергетически отличны от атомов, расположенных в решетке внутри зерна. Полагают, что частицы между зернами обладают повышенной энергией, представляющей поверхностную энергию, которая играет большую роль в явлениях, происходящих в различных телах и, в том числе, в металлах и их сплавах.
Таким образом, даже если представить себе абсолютно чистый металл, то и в нем должна существовать прослойка между зернами в циде неопределенно расположенных атомов, которую некоторые рассматривают как аморфную пленку металла и которая может влиять на свойства всего куска металла в целом.
Но помимо таких пленок, состоящих из атомов самого металла, в практически применимых металлах всегда имеются примеси, которые также могут расположиться в промежутках между зернами в виде пленок или включений и оказывать влияние на свойства металла.
Например, если эти пленки непрочны (хрупки), связь между зернами будет ослаблена, и разрушение металла при механическом воздействии произойдет по границам зерен. В этом случае будет наблюдаться межкристаллический излом металла (или интергранулярный).
Может быть и такой случай, когда прослойки между зернами окажутся прочнее самих зерен; тогда разрушение произойдет внутри самих зерен и будет виден в и утрикр металлический излом (или и н т р а г р а н у л я р н ы й).
Таким образом большее или меньшее развитие границ зерен должно оказывать влияние на металл. Так как это развитие границ определяется размерами зерна, то на последние должно быть обращено внимание при исследовании металлов.
Обработка металлов резанием. Формообразование поверхности металлов.
Обработка металлов резанием, технологические процессы обработки металлов путём снятия стружки, осуществляемые режущими инструментами на металлорежущих станках с целью придания деталям заданных форм, размеров и качества поверхностных слоев. Основные виды О. м. р.: точение,строгание, сверление, развёртывание, протягивание, фрезерование и зубофрезерование, шлифование, хонингование и др. Закономерности О. м. р. рассматриваются как результат взаимодействия системы станок — приспособление — инструмент — деталь
Пространственную конструктивную форму любой детали определяет сочетание различных поверхностей. Для облегчения обработки заготовки конструктор стремится использовать следующие геометрические поверхности: плоские, круговые цилиндрические и конические, шаровые, торовые, геликоидные и др. Любая геометрическая поверхность представляет собой совокупность последовательных положений (следов) одной производящей линии, называемой образующей, движущейся по другой производящей линии, называемой направляющей. Например, для образования круговой цилиндрической поверхности необходимо прямую линию (образующую) перемещать по окружноети (направляющей).
При обработке поверхностей на металлорежущих станках образующие и направляющие линии в большинстве случаев являются воображаемыми. Они воспроизводятся во времени комбинацией движений заготовки и инструмента, скорости которых строго согласованы между собой. Движения резания являются также формообразующими движениями. Механическая обработка заготовок деталей машин реализует в основном четыре метода формообразования поверхностей. Рассмотрим их на конкретных примерах.
Получение поверхностей по методу копирования состоит в том, что режущая кромка инструмента является реальной образующей линией 1, форма которой совпадает или обратна той, которая является образующей линией поверхности детали (рис. 48, а). Направляющая линия 2 воспроизводится во времени вращением заготовки. Главное движение здесь является формообразующим. Движение подачи необходимо для того, чтобы получить геометрическую поверхность определенного размера. Метод копирования широко используют при обработке фасонных поверхностей деталей на различных металлорежущих станках.
Образование поверхностей по методу следов состоит в том, что образующая линия 1 является траекторией движения точки (вершины) режущей кромки инструмента, а направляющая линия 2- траекторией движения точки заготовки (рис. 48, б). Здесь движения резания являются формообразующими. Этот метод формообразования поверхностей деталей распространен наиболее широко.
Резцы и их геометрия.
Различают токарные резцы:
проходные – для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей;
расточные – проходные и упорные – для растачивания глухих и сквозных отверстий;
отрезные – для отрезания заготовок;
резьбовые – для нарезания наружных и внутренних резьб;
фасонные – для обработки фасонных поверхностей;
прорезные – для протачивания кольцевых канавок;
галтельные – для обтачивания переходных поверхностей между ступенями валов по радиусу.
Головка резца имеет следующие элементы: переднюю поверхность, задние поверхности, режущие кромки и вершину.
Передней поверхностью называется поверхность резца, по которой сходит стружка.
Задними поверхностями называются поверхности резца, обращенные к обрабатываемой заготовке (главная и вспомогательная).
Режущие кромки образуются пересечением передней и задних поверхностей; их две — главная режущая кромка и вспомогательная.
Главная режущая кромкавыполняет основную работу резания. Она образуется от пересечения передней и главной задней поверхностей.
Вспомогательная режущая кромкаобразуется от (пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей.
Вершина резцаэто место сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок.
Измерение углов осуществляется по отношению к основной плоскости и плоскости резания.
Основной плоскостьюназывается плоскость, параллельная направлениям продольной и поперечной подач. У токарных резцов с призматическим телом за эту плоскость может быть принята нижняя опорная поверхность резца.
Плоскостью резанияназывается плоскость, перпендикулярная к основной и проходящая через режущую кромку резца, по касательной к поверхности резания.
Дата добавления: 2018-05-13 ; просмотров: 4009 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Факторы, влияющие на размер зерна рекристаллизованного металла
Размер зерна рекристаллизованного металла существенно влияет на его свойства. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают большей прочностью и вязкостью. В ряде случаев необходимо, чтобы металл имел крупное зерно. Например, при крупном зерне техническое железо и трансформаторная сталь обладают более высокими магнитными свойствами.
На размер зерна после рекристаллизации влияют следующие факторы: 1) размер исходного зерна: чем меньше его размер, тем меньше размер и рекристаллизованного зерна; 2) температура нагрева : с увеличением температуры размер зерна возрастает; 3) время нагрева: при увеличении продолжительности нагрева величина зерна возрастает; 4) степень деформации перед нагревом (рис. 4.2):
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.2. Влияние степени пластической деформации (e) на величину
рекристаллизованного зерна (D): Dисх – исходный размер зерна;
eкр – критическая степень деформации
Если степень деформации увеличивается по сравнению с критической, то количество недеформированных зёрен уменьшается и поэтому постепенно бесцентровая рекристаллизация переходит в обычную первичную рекристаллизацию, которую иногда называют центровой.
При больших степенях деформации в результате нагрева происходит только первичная рекристаллизация. При этом, чем больше степень деформации, тем больше возникает зародышевых центров. Следовательно, зерно получается более мелким. Таким образом, критической называют минимальную степень деформации, начиная с которой при нагреве становится возможным процесс рекристаллизации.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. [2]
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и лластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. На размер зерна оказывают влияние: температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие в нем посторонних лримесей. Влияние этих факторов очень велико. [3]
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. [5]
Размер зерна металла оказывает влияние на пластичность в случае холодного деформирования детали. [6]
Размер зерна металла в большой степени влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. [8]
Размер зерна металла имеет важное значение для предела текучести, сопротивления хрупкому разрушению и для температуры вязко-хрупкого перехода. Измельчение зерна существенно понижает критическую температуру хрупкости. [9]
Размер зерна электроосаждснных металлов в зависимости от природы металла может изменяться в широких пределах. Наиболее мелкокристаллической структурой обладают металлы, которые выделяются из раствора с высоким перенапряжением, что в первую очередь характерно для металлов группы железа. Если взять однотипные, например, сернокислые электролиты, из которых можно получить разные металлы, то размер зерна растет в ряду Со, Fe, Ni, Си. В такой же последовательности уменьшается общее перенапряжение выделения металла. [11]
Изменение размеров зерен металла слабо влияет на скорость-общей коррозии. [13]
Изменение размеров зерен металла слабо влияет на скорость. Однако значительное укрупнение зерна может вызвать опасную интеркристаллитную коррозию. [14]
Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорош-ков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков соответствующего состава позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, а также снижать температуру диффузионной сварки. [15]
Влияние величины зерна на механические свойства стали
Увеличение размера зерна аустенита незначительно влияет на прочностные свойства стали, но сильно снижает ее пластичность, ударную вязкость, усталостную долговечность. С уменьшением же размера зерна, как правило, повышается прочность, пластичность и вязкость. Поэтому лучшими механическими свойствами характеризуются мелкозернистые стали.
Основы термической обработки
Рис. 3.4. Виды термической обработки стали У8 в зависимости от температуры
нагрева (а) и скорости охлаждения (б)
В зависимости от температуры нагрева по отношению к критическим точкам АС1, АС3 и Aсm (табл. 3,1) термическая обработка подразделяется на полную, неполную и низкотемпературную (рис. 3.4, а), а в зависимости от скорости охлаждения – на отжиг, нормализацию и закалку (рис. 3.4, б).
Таблица 3.1. Температуры критических точек некоторых сталей
| Марка стали | 40Х | 45Г2 | У8 | У10 | У12 | 9ХС | ХВГ |
| А1, О С | |||||||
| А3, Aсm, О С | — |
Отжиг
Полный отжигпреимущественно применяется для доэвтектоидныхсталей. Он состоит из нагрева выше температуры А3 на 30-50 О С (см. рис. 3.4, а), выдержки и медленного охлаждения (с печью) до 500-600 О С и далее на воздухе на структуру, состоящую из феррита и перлита (рис. 3.5, а).
Полный отжиг для заэвтектоидных сталей с нагревом выше Аcm не применяется, так как он приводит к образованию карбидной сетки, которая сильно повышает хрупкость стали (см. рис. 2.4, в).
Неполный отжиг преимущественно применяется для заэвтектоидных сталей. Он состоит из нагрева выше температуры A1, но ниже Асm и приводит к образованию структуры зернистого перлита (см. рис. 2.4, г). Охлаждение должно быть медленным, чтобы обеспечить сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаждении до 650-620 О С. Структура зернистого перлита характеризуется низкой твердостью, высокой пластичностью и вязкостью.
Рис. 3.5. Микроструктура (феррит и перлит) стали 40 после полного отжига (а) и нормализации (б)
Нормализация
По сравнению с отжигом при нормализации доэвтектоидной стали образуется более дисперсная (измельченная) феррито-перлитная структура (рис. 3.5, б), характеризующаяся несколько более высокой прочностью и твердостью. Для заэвтектоидных сталей нормализация применяется с целью устранения цементитной сетки.
Рекристаллизационный отжиг(см. рис. 3.4, а)для снятия наклепа (деформационного упрочнения) после холодной пластической деформации. Для низкоуглеродистых сталей, чаще подвергаемых холодной деформации (листовой штамповке, волочению), рекристаллизационный отжиг проводится при температурах 680–700 О С с последующим охлаждением на воздухе. При отжиге стали происходит рекристаллизация феррита, а также протекают процессы коагуляции и сфероидизации цементита.
Закалка
Закалка – упрочняющая термическая обработка стали, состоящая из нагрева выше температур фазового превращения на 30-50 О С, выдержки и охлаждения со скоростью выше критической VКР (см. рис. 3.4, б) с целью получения мартенситной структуры. Закалку углеродистых сталей обычно проводят в воде, а легированных – в масле.
Мартенсит, образующийся после закалки стали, представляет собой упорядоченный пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe с объемноцентрированной тетрагональной (ОЦТ) решеткой (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Кристаллическая ячейка мартенсита – ОЦТ
(тетрагональность с/а>1)
В кристаллах мартенсита атомы углерода преимущественно располагаются вдоль оси [001], вызывая тетрагональность (с/а1), которая служит структурным признаком мартенсита: есть тетрагональность – есть мартенсит, нет тетрагональности – есть феррит.
Мартенситная диаграмма
Мартенситное превращение (см. рис.3.4, б) происходит при скорости охлаждения стали больше критической (V ≥ VКР) в температурном интервале МН-МК (рис.3.7), когда ГЦК решетка аустенита по бездиффузионному (сдвиговому) механизму превращается ОЦТ решетку мартенсита без изменения концентрации углерода и легирующих элементов.
а б
Рис. 3.7. Диаграмма мартенситного превращения (а) и влияниие концентарации углерода на количество остаточного аустенита (б)
Из рис. 3.7,а видно, что с увеличением содержания углерода температуры начала МН и окончания МК мартенситного превращения понижаются, и при содержании углерода C > 0,6% температура МК лежит в области отрицательных температур. Поэтому после закалки в структуре таких сталей содержатся остаточный аустенит (АОСТ), количество которого увеличивается (рис. 3.7,б) с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали.
Мартенситное превращение происходит в условиях непрерывного охлаждения стали: если охлаждение остановить, то мартенситное превращение прекратится. Кристаллы мартенсита имеют форму реек, видимых под микроскопом в виде игл (рис.3.8, а).
Рис. 3.8. Микроструктура доэвтектоидной стали после полной (а)
и неполной (б) закалки. х500
Закалка подразделяется на полную, с нагревом выше А3 или Асm, и неполную, с нагревом в интервале А1—Асm.
Доэвтектоидные стали преимущественно подвергают полной закалке на структуру мартенсита (рис.3.8, а). Неполная закалка для этих сталей с нагревом в интервале А1—А3 не применяется, так как приводит к образованию структуры, состоящей из мартенсита с включениями феррита-мягкой структурной составляющей, снижающей твердость и износостойкость изделия (рис.3.8, б).
Заэвтектоидные стали подвергают только неполной закалке на структуру матренсит+зернистый цементит+ Аост.
Преимущества неполной закалки заэвтектоидной стали:
-наличие в структуре глобулярного цементита обеспечивает высокую твердость, прочность и достаточно высокую пластичность;
-меньшее количество остаточного аустенита, которого в стали содержится после неполной закалки 5-7 %, а после полной – 10-15 %;
Частичная закалка происходит при скорости охлаждения, меньшей критической, то есть в случае пересечения кривой охлаждения только первой ветви С-образной кривой (см. рис.3.4, б). Полученная структура троостомартенситная (рис.3.9), которая приводит к некоторому снижению твердости.
Рис. 3.9. Микроструктура доэвтектоидной стали после