13.6. Повышение механических свойств материалов под действием температуры

С изменением температуры в деформированных телах происходят различные процессы:

Возврат – совокупность самопроизвольных процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных телах в результате перемещения точечных и линейных дефектов под действием температуры.

Отдых – низкотемпературная стадия возврата.

Полигонизация – высокотемпературная стадия возврата.

Отдых связан с перераспределением вакансий, а полигонизация – дислокаций. Укрупнение зёрен при повышении температуры способствует уменьшению прочности и повышению пластичности и стойкости к коррозии.

Рекристаллизация – процесс возникновения и роста новых недеформированных зёрен в ранее деформированном теле.

Температура, при которой происходит рекристаллизация, называется температурой рекристаллизации Т_рк.

Хладноломкость – переход от вязкого разрушения к хрупкому при понижении температуры. Этот переход показан на графике зависимости ударной вязкости от температуры.

Многие металлы с ОЦК и ГЦК решеткой (Fe, Mo, W и др.), а также некоторые марки стали в зависимости от температуры испытывают как вязкое, так и хрупкое разрушения. Это особенно наглядно происходит при закалке – быстром охлаждении, когда металл становится хрупким и может разрушаться наподобие разрушения обычного стекла.

Холодная деформация – деформация, которую производят ниже температуры рекристаллизации. Холодная деформация пластичных тел сопровождается наклёпом, т.е. упрочнением материала.

Горячая деформация – деформация, которую проводят выше температуры рекристаллизации: Т_рк = (0,70,75)T_L, где T_L – температура плавления. Горячую деформацию проводят для получения полностью рекристаллизованной структуры.

Закаливаемость – способность металлов и сплавов повышать твердость в результате закалки.

Закалка – процесс быстрого охлаждения прогретого материала для фиксации того или иного фазового состояния.

Прокаливаемость – способность металла и сплава приобретать слой с высокой твердостью на ту или иную глубину.

Жаропрочность – сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки. Жаропрочными называют сплавы, способные работать под механическим напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

14. Жидкое состояние вещества

1. Особенности жидкого состояния

Жидкое состояние вещества является промежуточным между твердым и газообразным, т.е. это состояние вещества между температурами плавления и кипения

Жидкости сочетают некоторые свойства как твердых тел, так и газов. Вблизи температуры плавления преобладают структурные особенности и свойства твердых тел, а вблизи температуры кипения — газов.

Жидкость - система динамическая, атомы и молекулы, сохраняя ближний порядок во взаимном расположении, участвуют в тепловом движении, которое сложнее, чем в кристаллах. Атомы и молекулы жидкости совершают колебания как в кристаллах, но положения равновесия, относительно которых происходят эти колебания, не остаются фиксированными. Совершив некоторое число колебаний около одного положения равновесия, молекулы перемещаются в соседнее положение, обусловливая явление диффузии.

Перемещение молекул из одного равновесного состояния в другое может происходить:

а) скачком на расстояние R, близкое к среднемежмолекулярному;

б) плавно вместе с их ближайшим окружением.

В молекулах, содержащих одинарные или двойные связи, возможны повороты атомов или групп атомов вокруг этих связей, что приводит к образованию изомеров данного химического соединения.

Согласно Я.И.Френкелю, длительность пребывания молекулы во временном положении равновесия - время оседлой жизни - определяется по формуле:

, (14.1)

где ₀ - период колебания молекулы около положения равновесия;

U - высота энергетического потенциального барьера, который отделяет друг от друга два соседних положения равновесия;

k - постоянная Больцмана.

Числовые значения  зависят от строения и вязкости жидкости.

Для воды при 20° С  = 10^-10 с, ₀ = 1,410^-12с.

Следовательно, каждая молекула воды совершает около 100 колебаний относительно одного и того же положения равновесия, прежде, чем переменит место.

Таким образом, молекулы в жидкости ведут «оседлый образ жизни».

С ростом температуры время оседлой жизни молекул уменьшается. Усиливается роль поступательного движения, а колебательного ослабляется.

По теории Я.И.Френкеля в случае простых жидкостей (однотомных) через время оседлой жизни  определяются:

а) средняя скорость перемещения молекул жидкости 

; (14.2)

б) коэффициент самодиффузии Д характеризующий скорость перемешивания собственных молекул

; (14.3)

в) коэффициент вязкости , характеризующий передачу импульса молекулами жидкости

(14.4)

или , (14.5)

где Д₀ и ₀ – постоянные величины, r – размер молекулы.

Формулы (14.1-14.4) отражают активационный (прыжковый) характер движения молекул.

Опыт показывает, что в расплавах металлов молекулы могут перемещаться непрерывно по траекториям дрейфа, без внезапных прыжков. В воде более вероятен прыжковый характер перемещения молекул.

Поступательное движение молекул жидкости вносит определенный вклад в теплопроводность. Однако основным фактором, определяющим теплопроводность жидкости, является процесс распространения упругих волн, порожденных тепловыми колебаниями молекул. Эти волны имитируются фононами. Исходя из кинетической теории, коэффициент теплопроводности для жидкостей можно выразить формулой

, (14.6)

где с – теплоемкость;  – плотность;  - длина свободного пробега;  - скорость движения фононов.

В жидкостях в отличие от газов доминируют те же межмолекулярные силы притяжения, которые обусловливают тот или иной тип связи в кристалле:

- вандерваальсовые силы (инертные газы, полимеры);

- водородные связи (вода, кислоты, жиры, спирты и пр.);

- металлическая связь (металлы);

- ковалентные связи (жидкие германий, кремний, сера, селен).

Каждая группа жидкостей обладает специфическим ближним порядком, унаследованным от твердого тела.

Вблизи температуры плавления в последнее время получила распространение т.н. кластерная модель жидкости.

Кластер - конгломерат нескольких однотипных молекул размерами от 1,0 до 10,0 нм, сохраняющий структуру ближнего порядка, свойственную твердой фазе с относительно большим временем оседлой жизни. Кластеры неустойчивы: за счет флуктуации они могут распадаться и вновь образовываться как в том же участке, так и в соседних за счет "кусков" расплавившихся соседних кластеров и т.д.

При уменьшении температуры до температуры затвердевания или ниже кластеры объединяясь, образуют устойчивые зародыши кристаллов, способные к дальнейшему росту.

В метастабильной жидкости (т.е. переохлажденной или пересыщенной жидкости) концентрация кластеров может возрастать. Причем, взаимная концентрация кристаллизующихся и некристаллизующихся кластеров предопределяет устойчивость метастабильного состояния.

2. Свойства жидкостей

Главными особенностями жидкого состояния является малая сжимаемость и хорошая текучесть.

Коэффициент сжимаемости  - это относительное изменение объема при изменении давления на единицу:

. (14.7)

Из выражения (14.7) можно получить закон Гука для упругой сжимаемости жидкости, если принять и, гдеН – модуль всестороннего сжатия, а  - механическое напряжение:

, (14.8)

где - относительная объемная деформация сжатия.

При нагревании жидкости (как и твердые тела) расширяются, а при охлаждении сжимаются.

Закон теплового объемного расширения жидкости при небольших изменениях температуры такой же, как и для твердых тел

, (14.9)

где  - коэффициент объемного теплового расширения жидкостей.

Между коэффициентами  и  существует связь. Если разделить выражение (13.18) на (14.7), получим

. (14.10)

Левая часть (14.10) называется тепловым напряжением, которое связано с коэффициентами сжимаемости  и теплового расширения .