1.3.8. Технологические свойства материалов

Технологические свойства материалов характеризуют их податливость технологическим воздействиям при переработке в изделия. Значения этих свойств позволяют обоснованно и рационально проектировать и проводить технологические процессы изготовления изделий. Основными техническими свойствами являются обрабатываемость (резанием, давлением, литьём и др.), свариваемость, паяемость, адгезионная способность, склонность к деформации и короблению при термообработке и др.

Обрабатываемость резанием характеризуют: качеством обработки (шероховатостью обработанной поверхности и точностью размеров); стойкостью инструмента; сопротивлением резанию (скорость и сила резания); видом стружкообразования и др.

Обрабатываемость давлением определяют при технологических испытаниях материалов на пластичную деформацию. Например, технологические испытания на изгиб проводят, изгибая образцы до заданного угла. Считают, что материал выдержал испытания, если в нем не появилось излома, расслоений, надрывов и трещин. Листы и ленты испытывают на выдавливание с помощью специального пресса. В образце формируют сферическую лунку, прекращая вытяжку при достижении , и определяет ее глубину. Испытание сортового проката на осадку состоят в том, что спец. образцы под прессом или молотом осаживают до определенной высоты.

Обрабатываемость давлением порошковых материалов характеризуют их текучестью, уплотняемостью и формуемостью. От текучести зависит скорость заполнения порошком пресс-форм. Уплотняемость определяет усадку и характеризуется диаграммой прессования: V(объём) = f(Р). Формуемость характеризует свойство порошкового материала сохранять форму, полученную в процессе прессования.

Литейные характеристики - совокупность технологических свойств характеризующих формирование отливок при заливке расплава в литейную форму. К ним относятся: жидкотекучесть- свойство расплава заполнять литую форму, зависит от вязкости, температуры расплава и формы, смачиваемости и др.; усадка литейная - уменьшение объёма материала при переходе из жидкого состояния в твердое; температурный интервал кристаллизации. Эти параметры определяются в ходе специальных испытаний.

Свариваемость и паяемость - свойство материала образовывать сварное или паяное соединение требуемого качества. Сварка и пайка может производиться различными методами (электрической дугой, контактная, плазменная, электронно-лучевая, газовая и др.), но основными показателями этих технологических свойств являются: механические свойства соединений; качество соединений и швов; их длительная прочность.

1.4. Кристаллизация материалов

1.4.1. Движущая сила кристаллизации и зародышеобразование

Кристаллизация - это фазовый переход вещества из состояния переохлажденной (перенасыщенной) маточной среды в твердую кристаллическую фазу с меньшей энергией. Для металлов различают первичную (кристаллы образуются из жидкости или газа) и вторичную (распад веществ в твердой фазе) кристаллизацию. Движущей силой процесса является уменьшение свободной энергии F при фазовом переходе (рис.1.28).

Рис.1.28. К понятию перенагрева и движущей силы процесса кристаллизации

Температура Т , при которой F для жидкого и твердого состояния одинаковы называется равновесной температурой кристаллизации. При этой температуре и отсутствии внешних воздействий твердой и жидкой фазы могут сосуществовать неограниченное время. Процесс кристаллизации начинается при переохлаждении системы на (рис.1.28), что вызывает изменение ее свободной энергии на . Аналогично для плавления кристаллического тела необходим перенагрев относительно .

Разница между Т и Т называется температурным гистерезисом. Он зависит от скорости нагрева (охлаждения), природы и чистоты материала (может достигать 0,5Т ). Обычно для начала кристаллизации необходимо . Горизонтальные участки на кривых нагрева и охлаждения (рис.1.29) обусловлены скрытой теплотой плавления и кристаллизации. Она является причиной замедления скоростей плавления и кристаллизации и уменьшения и .

Рис.1.29. Термограммы и температурный гистерезис

Переохлаждение системы до критической температуры приводит к появлению зародышей кристаллизации. На их образование сильно влияют внешние воздействия (перемещение, вибрация, ультразвук и др.). Для образования зародыша требуется определенная энергия. Кристаллический агрегат с минимальной энергией образования называется критическим зародышем R . Для выяснения условий появляется центров кристаллизации надо сравнить строение жидкости и твердого тела. В жидком материале наблюдается только ближний порядок, который динамически неустойчив из-за теплового движения атомов. При температурах близких к Т , возможно образование в расплаве фазовых флуктуаций, в которой упаковка атомов близка к кристаллической. Они и превращаются в центры кристаллизации (зародыши). Их рост возможен только с размеров R , когда это ведет к уменьшению свободной энергии F. Поскольку в процессе кристаллизации: , где - уменьшение свободной энергии F за счет перехода объёма V из жидкости в твердое состояние; - ее рост за счет образования поверхности раздела с площадью S и удельным поверхностным натяжением . В зависимости от R (размер зародыша) и степени переохлаждения имеет вид, изображенный на рис.1.27. Видно, что зародыш размером меньше ( ) расти не может (- - растет), он раствориться в жидкости. Для небольших : .

При велико и вероятность образования такого зародыша мала. С увеличением , растет (см. рис.1.31), - const и уменьшается, возрастает также и число образовавшихся зародышей.

Рис.1.30. Зависимость критического размера зародыша от степени переохлаждения

Миграция атомов из расплава к зародышу вызывает его рост и образование кристалла. В начале образуется двухмерный зародыш и кристалл растет послойно. При наличии винтовой дислокации - атомы присоединяются к ступени, оканчивающейся на ней. При нормальном росте присоединение атомов происходит в любой точке поверхности, получается атомно-шероховатые с большим числом вакансий поверхности (в отличие от атомно-гладких без вакансий послойно растущих поверхностей).

Реальные кристаллы всегда имеют дефекты на растущих гранях, которые становятся центрами кристаллизации без образования двухмерного зародыша. Скорость кристаллизации зависит от скорости образования зародышей и скорости их роста . Увеличение степени переохлаждения расплава приводит сначала к росту и (рис.1.31), а затем к их уменьшению из-за снижения интенсивности диффузионных процессов, что используется при формировании аморфных металлических сплавов. Механические свойства металлов и сплавов сильно зависит от размера и формы кристаллитов. Этим параметром можно эффективно управлять с помощью степени переохлаждения (малое - больше R и наоборот).

Рис.1.31. Влияние степени переохлаждения на образование зародышей и их рост

Механизм гомогенного образования зародышей реализуется только в очень чистых расплавах. В реальных условиях кинетика процесса кристаллизации определяется наличием готовых зародышей, центрами образования которых являются примеси, окислы и загрязнения. Это гетерогенный механизм кристаллизации. Чем больше содержание примесных центров кристаллизации, тем более мелкозернистой будет структура закристаллизованного материала. На практике используется введение в расплав специальных модификаторов – ПАВ и тугоплавких металлов.

Простейшей формой кристаллов является многогранник, но из-за разной на отдельных его гранях могут образовываться кристаллы пластинчатой, игольчатой и других форм. Если в переохлажденном расплаве в качестве зародыша является кристалл, рост идет от его выступов и образуется многолучевая звезда. На отростках, называемых осями 1-го порядка, появляются боковые ответвления (2-ой порядок), на них - ответвления 3-го порядка. В результате формируются кристаллы дендритной (древовидной) формы. Одновременный рост множества кристаллов приводит к искажению их формы в результате срастания и соприкосновения частей.

В зависимости от кинетики охлаждения расплава форма образующихся кристаллитов различна. Они могут быть столбчатыми и глобулярными (равноосными), что проявляется при охлаждении расплава в форме (рис.1.32). Во внешнем слое формируются мелкие глобулярные кристаллы из-за большой скорости охлаждения и степени переохлаждения. Затем следует зона столбчатых кристаллов, ориентируемых по направлению теплоотвода. В центре слитка вследствие низкой скорости охлаждения растут большие равноосные (при наличии модификаторов) или дендритные (в чистых расплавах) кристаллы. В верхней части слиток имеет усадочную раковину, окруженную рыхлой зоной.

Рис.1.32. Строение зерна спокойно закристаллизовавшейся отливки