Механизм процесса кристаллизации

Еще Д. К. Черновым было установлено, что процесс кристалли­зации состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождения центров кристаллизации; 2) роста кристаллов из этих центров.

При температурах, близких к температуре затвердевания, в жидком металле образуются небольшие группировки атомов, так называемые флуктуации, в которых атомы упакованы так же, как в твердых кристаллах. Из части этих флуктуации образуются зародыши или центры кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации, обра­зующихся в единицу времени.

Вокруг образовавшихся центров кристаллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых центров кристаллизации, так и за счет роста существующих. Схема после­довательных этапов процесса затвердевания приведена на рис. 11.

Взаимным ростом кристаллов объясняется неправильная форма зерен. Реальные твердые кристаллы, получившие неправильную форму, называются кристаллитами.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих элементарных процессов. Она определяется скоростью зарождения центров кристаллизации (СЗ) и скоростью роста кристаллов из этих центров (СР) (рис. 12). Величины СЗ и СР зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре Δ Т = 0 и СЗ = 0, СР = 0. С увеличением Δ Т растет разность свободных энергий Δ F = F _ж – Т_тв, и при хорошей подвижности атомов СЗ и СР растут и достигают максимума. Последующее уменьшение СЗ и СР объясняется снижением подвижности атомов при падении температуры. При малых значениях коэффициента диффузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристаллическую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ и СР равны нулю и жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь, восходящие ветви кривых СЗ и СР и с ростом Δ Т увеличиваются скорости обоих процессов.

Если раньше аморфное состояние достигалось лишь для солей, силикатов, органических веществ, то в настоящее время с исполь­зованием специальных приемов достигается высокая скорость охлаждения (более 10⁶ °С/с) и стеклообразное состояние металла. Металлы в стеклообразном состоянии характеризуются особыми физико-механическими свойствами.

От соотношения скоростей зарождения и развития зависит раз­мер зерен. При малом переохлаждении, например при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подо­гретую металлическую форму, скорость роста велика, скорость зарождения сравнительно мала. В этом случае в объеме обра­зуется сравнительно небольшое количество крупных кристаллов.

При увеличении Δ Т, в случае заливки жидкого металла в хо­лодные металлические формы, скорость зарождения возрастает, чтоприводит к образованию большого количества мелких кри­сталлов.

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния. Важную роль играет температура нагрева и разливки метал­ла, его химический состав и особенно присутствие посторонних примесей. В реальных условиях самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено. Источником образова­ния зародышей служат различные твердые частицы: неметалличе­ские включения, оксиды, продукты раскисления.

Чем больше примесей, тем больше центров, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества, которые при кри­сталлизации способствуют измельчению зерна. Эту операцию на­зывают модифицированием. При введении в магниевые сплавы магнезита зерно уменьшается более чем в 10 раз: от 0,2 – 0,3 мм до 0,01 – 0,02 мм. Модификаторами для стали являются алюминий, ванадий, титан; для чугуна – магний.

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Кристаллизация начи­нается от стенок формы или изложницы. В направлении отвода тепла, т. е. перпендикулярно к стенке формы кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. При этом образуются оси первого порядка. Одновременно на их ребрах происходит заро­ждение и рост перпендикулярных им осей второго порядка, затем

третьего и т. д. В результате обра­зуется разветвленный древовидный кристалл, называемый дендритом.

Так как при затвердевании имеет место так называемая избирательная кристаллизация, т. е. в первую оче­редь затвердевает более чистый ме­талл, то границы зерен более обога­щены примесями. Неоднородность хи­мического состава в пределах дендри­та называется дендритной ликвацией. В большей степени, чем другие элемен­ты ликвации подвержены углерод, сера, фосфор.

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К меха­ническим свойствам обычно относят сопротивление металла (спла­ва) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пла­стичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии нахо­дятся путем стандартных испытаний гладких образцов на рас­тяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).

Прочностные и пластические свойства, определяемые при ста­тических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных усло­виях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.

2. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Критерии конструктивной прочности металлических материа­лов можно разделить на две группы:

а) критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;

б) критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

3. Критерии оценки прочности конструкции в целом (кон­струкционной прочности), определяемые при стендовых, натур­ных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях вы­является влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов технологии изготовления и конструирования металло­изделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и кри­терии конструктивной прочности.

3.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ

ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

Статическими называют испытания, при которых при­лагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по резуль­татам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава.

Для испытания на растяжение используют стандартные об­разцы (ГОСТ 1497-84). Машины для испытаний снабжены при­бором, записывающим диаграмму растяжения (рис. 13).

Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений σ, величина которых является условной (σ = P/F₀), где F₀ – начальная площадь поперечного сечения. До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой 0A к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала Е = σ/δ (где δ – относительная деформа­ция). Модуль упругости Е определяет жесткость материала, ин­тенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформа­ции. Физический смысл Е сводится к тому, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации, т. е. смещение атомов из положения равновесия в решетке. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства яв­ляются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Закон пропорциональности между напряжением и деформацией является справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших напряжениях в упругой обла­сти наблюдаются отклонения от закона пропорциональности. Это явление называют неупругостью. Оно проявляется в том, что де­формация, оставаясь обратимой, отстает по фазе от действующего напряжения. В связи с этим при нагрузке-разгрузке на диаграмме растяжения вместо прямой линии получается петля гистерезиса, так как линии нагрузки и разгрузки не совпадают между собой. Неупругость связана с движением точечных дефектов дислокации и атомов в приграничных объемах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (σ_пц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает­ такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации в осью напряжений, увеличи­вается на 50 % своего значения на линейном (упругом) участке.

Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практически вызывают только упругие (в микроскопическом смысле) деформации, поэтому нередко σ_пц отождествляют е ус­ловным пределом упругости¹. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достирает 0,05 % (или еще меньше) первоначальной длины образца:

σ_0,05 = Р _0,05 / F₀.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %, называют условным пределом текучести:

σ_0,2 = Р _0,2 / F₀.

При испытании железа и других металлов с ОЦК решеткой при достижении определенного напряжения σ_т на кривой растя­жения образуется площадка. Напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки, на­зывается физическим пределом текучести:

σ_т = P_т / F₀.

Предел текучести σ_0,2 является расчетной характеристикой, некоторая доля от σ_0,2 определяет допустимую нагрузку, исклю­чающую остаточную деформацию. По величине сг₀₎₂ при нормаль­ной температуре различают три класса материалов (табл. 2).

Таблица 2

Класс материала	σ0,2, МПа
Fe-сплавы (стали)	Al-сплавы	Ti-сплавы
Низкой прочности
Средней прочности	650-1300	200-400	400-800
Высокой прочности	1300-1400

Если допустимые напряжения определяются величиной упру­гой деформации (жесткая конструкция), то в расчетах исполь­зуется величина модуля упругости Е. В этом случае стремиться к получению высокого значения σ_0,2 не следует. Величины σ_пц и σ_0,2 характеризуют сопротивление малым деформациям.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значитель­ную пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей раз­рушению образца, называют временным сопротивлением, или пре­делом прочности:

σ_в = P_max / F₀.

У пластичных металлов, начиная е напряжения σ_в, деформа­ция сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке об­разуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности, укрупнение которых приводит к воз­никновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент образец разрушается (точка С на рис. 13, а).

1) Реальный поликристаллический материал, вообще говоря, не имеет физического предела упругости, потому что всегда найдется некоторое количество незакрепленных дислокаций, которые начнут незакрепленных дислокаций, которые начнут двигаться при напряжениях, мало отличных от нуля

Кроме того, при испытании на растяжение определяют ха­рактеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение

δ = (l _к – l ₀) 100 / l ₀

и относительное сужение

ψ = (F ₀ – F_к) 100/ F _0,

где l ₀ и l _к - длина образца, a F ₀ и F _к - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно. Отношение изменения длины к начальной длине определяет условное удли­нение. Отношение в каждый данный момент изменения длины к длине в этот момент дает истинное удлинение:

.

Переход от l _к/ l ₀ к F₀/F_к проведен, исходя из предположения о постоянстве объема при деформировании. Повышение прочности (σ_в, σ_0,2) обычно сопровождается снижением пластичности ма­териала.

На рис. 13, б приведена диаграмма истинных напряжений, построенная в координатах S- l. Учитывая, что роль пластической деформации несравненно больше, чем упругой, считают, что участок диаграммы, соответствующий упругой деформации, сов­падает с осью координат.

Истинное сопротивление отрыву (разрушению) S_к определя­ется как отношение усилия в момент разрушения к минималь­ной площади поперечного сечения образца в месте разрыва: S_к = Р_к/F_к.

В случае хрупкого разрушения S_к и определяет действитель­ное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала (см. рис. 13, 6). При вязком разрушении (когда образуется шейка) σ_в и S_к характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не разрушению. В конструкторских расчетах σ_в и S_к практически не используются, так как трудно представить конструкцию, работоспособность которой не нарушится при пла­стической деформации отдельных деталей или узлов.

Кривая 2 на рис. 13, а показывает, что в процессе растяжения металл испытывает деформационное упрочнение (наклеп).

Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент деформационного упрочнения К = [tg α – (S_к – σ_0,2)] / l _к.

Характеристики материалов σ_0,2, σ_в, δ, ψ, а также Е являются базовыми – они включаются в ГОСТ на поставку конструкцион­ных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также вхо­дят в расчеты прочности и ресурса.

Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых спла­вов и прочих материалов, хрупких при растяжении, применяют испытание на сжатие (ГОСТ 25.503-80). Эти материалы при рас­тяжении разрушаются путем отрыва, при сжатии разрушаются срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатие.

Испытание на изгиб. Для хрупких материалов (чугун, инстру­ментальные стали после поверхностного упрочнении и т. д.) широко применяют испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80). Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образец, лежащий на двух опорах (рис. 14). Предел прочности при изгибе σ_изг(σ_max) подсчитывают по формуле

,

где М_max - максимальный изгибающий момент; - для прямоугольного сечения образца (h и b – высота и ширина образца) и - для круглого сечения.

Испытание на вязкость разрушения. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при напряжениях, лежащих в упругой об­ласти, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины (трещиноподобные дефекты) или те же дефекты, возникающие в про­цессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции опреде­ляется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся острой (опасной) трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождению.

В основе испытаний на вязкость разрушения лежат положения линейной механики разрушения. Разработанные Д.Ж. Ирвиным положения позволяют оценить влияние трещин и подобных им дефектов на сопротивление материала хрупкому разрушению. Базой для развития линейной механики разрушения послужили работы Гриффитса, который показал, что хрупкое разрушение связано с наличием в материале трещин, вызывающих локальную концентрацию напряжений, и происходит в результате самопроиз­вольного движения этих трещин, поддерживаемого энергией, на­копленной в материале вследствие упругой деформации.

По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине тре­щины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ве­дущего конца трещины: , где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; σ_н – номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа; с – длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид: 1 МПа·мм^1/2.

Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти са­мопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения – достижение величиной К критического значения, т. е. К_с. Следо­вательно, если , то разрушения не произойдет.

Параметр Ирвина К_с определяют экспериментально. Чаще К_с определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва –перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих на­пряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К_1с [МПа·м^1/2] и назы­вают его вязкостью разрушения при плоской деформации.

Величина К_1с – вязкость разрушения – определяет способ­ность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэ­тому нередко К_1с называют трещиностойкостью. Чем выше зна­чение К_1с, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого ма­териала.

Как видно из рис. 16, с увеличением К_1с возрастает размер допустимой трещины с при данном рабочем напряжении σ. На­пример, при рабочем напряжении σ_х при К_1с допустима трещина размером с ', а при более низком значенииК_1с – меньшего раз­мера с.

Критерий К_1с позволяет определить максимально допустимые напряжения в реальной конструкции σ_кр при наличии трещины определенной длины или, наоборот, при данном рабочем напря­жении допустимую длину трещины без хрупкого разрушения конструкции.

Вязкость разрушения К_1с, как правило, тем ниже, чем выше предел текучести σ_0,2 (рис. 17).

Для сплавов титана показано, что при отношении К_1с / σ_0,2 > 0,24 критическая длина трещины измеряется в сантиметрах и закритическое развитие ее исключено. При отношении К_1с / σ_0,2 = 0,08 ÷ 0,24 критическая длина трещины снижается до0,1 ­­– 1,0см, а при К_1с / σ_0,2 < 0,08 – до нескольких микрометров. Поэ­тому для повышения конструктивной прочности нередко отка­зываются от высокопрочных материалов вследствие низкого зна­чения их трещиностойкости К_1с и возможности хрупкого разру­шения.

Критерии вязкости разрушения чаще используют для харак­теристик высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов вы­сокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).

Для таких конструкций расчеты можно проводить с точностью до ±10 %. В остальных случаях погрешность расчетов, без учета поправок может достигать 50-100 %.

Величина К_1с является структурно чувствительной характе­ристикой металла.

3.3 ПОРОГ ХЛАДНОЛОМКОСТИ

Как уже отмечалось ранее, железо, сталь и металлы, и сплавы в основном с ОЦК решеткой могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т. д. порог хладно­ломкости может повыситься, это приведет к хрупкому разруше­нию.

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур. Затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания (так называемую сериальную кривую по Н.Н.Давиденкову) (рис. 18).

Для многих сталей на кривой зависимости KСU – t трудно определить порог хладноломкости.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при удар­ном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порог хладноломкости нередко определяют по количеству во­локна (В, %) матовой – волокнистой составляющей в изломе. Количество волокна в изломе определяется как отношение пло­щади волокнистого (вязкого) излома к первоначальному расчет­ному сечению образца. Далее строится сериальная кривая про­цент волокна – температура испытания (рис. 18). За порог хладно­ломкости принимается температура, при которой имеется 50 % волокна t₅₀ (рис. 18), что примерно соответствует КСТ/2. Для ответственных деталей за критическую температуру хруп­кости нередко принимают температуру, при которой в изломе имеется 90 % волокна (t ₉₀), а ударная вязкость сохраняет высокое значение. Нередко определяют верхний t _в порог хладноломкости, который отвечает 90 % волокна, и нижний t_н, отвечающий 10 % волокна. Порог хладноломкости t _в, t_н, t₅₀, t₉₀) не является по­стоянной материала, а сильно зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов напряжений, размера об­разца и т. д. Чем выше прочность (σ_в, σ_0,02), тем выше порог хлад­ноломкости.

В случае определения надежности машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая ре­комендация не применять материал при температурах ниже по­рога хладноломкости. Нужно учитывать, что в понижением тем­пературы снижается и величина К_1с.

Дата добавления: 2014-01-07