Розділ 2 кристалізація металів

Будь-яка речовина може перебувати у трьох агрегатних станах: твердому, рід­кому або газоподібному. Якщо тиск постійний, то перехід від одного стану до іншого в чистих металах відбувається при певній температурі. Наприклад, метал із твердого стану переходить у рідкий при температурі топлення, а з рідкого стану — у газоподібний при температурі кипіння. На особливу увагу в металознавстві заслуговує кристалізація, оскільки тоді формується та або інша структура.

Кристалізацією називається перехід металу від рідкого до твердого стану з утворенням кристалічної структури. Величина, форма й напрям орієнтації кристалів у металевому виробі помітно впливають на його експлуатаційні характеристики. Вивчення закономірностей процесу кристалізації дозволяє набути необхідних знань і досвіду, які використовують для оптимізації структури та властивостей металів і їх стопів.

2.2.1. Енергетичні умови процесу кристалЬації

Перехід металу від одного стану до іншого, зокрема від рідкого до кристалічного, можливий при умові, що кристалічний стан має менший рівень вільної енергії G порівняно з рідким. Зі зміною зовнішніх умов, наприклад температури, вільна енергія системи змінюється за складними законами, різними для рідкого й твердого (кристалічного) станів.

Вільна енергія—це та частина внутрішньої енергії, яка може бути перетворена ^вроботу. Під час підвищення температури вільна енергія рідкого і твердого станів зменшується. Схематично зміну вільної енергії G рідкого й твердого станів залежно ^В1Д температури t показано нарис.2.2.1. При температурі t_s вільні енергії обох станів однакові. Це означає, що температура t_s відповідає рівноважній або теоретичній температурі кристалізації (топлення) досліджуваного металу, «скільки при цій ^емпературі маємо однакові енергетичні умови для співіснування твердого

та рідкого станів. Вище від температури t_s меншу вільну енергію має рідкий метал, а нижче від t_s — твердий.

Як уже зазначалось вище, для розвитку кристалізації необхідно, щоб цей процес був термодинамічно вигідний, тобто, щоб супроводжувався зменшенням вільної енергії того стану, який виник. Таким чином, процес кристалізації відбувається лише тоді, коли рідкий метал буде охолоджений до температури t_e нижчої від t_s У цьому випадку існує різниця AG вільної енергії рідкого G_p і твердого G_T станів:

AG = G_p-G_T. (2.2.1)

Охолодження рідини до температури, нижчої від рівноважної, називається переохолодженням, а різниця між: теоретичною і фактичною температурами кристалізації металу—ступенем переохолодження At:

At = t_s-t_K. (2.2.2)

Аналогічно можна показати, що оборотний перехід із кристалічного стану в твердий відбудеться при температурі, вищій від ^(явище перегрівання). Фактичну температуру кристалізації г_ку конкретних умовах легко визначають термічним аналізом, суть якого зводиться до побудови графіка в координатах температура t — час т, названого кривою охолодження.

Для цього необхідні нагрівальна піч 2 (рис.2.2.2), тигель 1 із досліджуваним металом З, прилади для вимірювання температури і часу. Температуру металу звичайно вимірюють термоелектричним пірометром, що складається із термопари 4 і гальванометра 10. Тигель вставляють в піч, де метал нагрівають до рідкого стану. Гарячий спай термопари, захищений порцеляновою або кварцевою оболонкою 6,

занурюють у метал. Холодні кінці термопари з'єднують проводами 5 і 7 з гальванометром. Величина струму, що протікає від термопари до гальванометра, пропорційна різниці температур гарячого й холодного кінців термопари. Для зручності користування шкалу гальванометра градуюють у градусах Цельсія.

Розтоплений метал охолоджують і на самописці реєструють температуру в часі. Отримана крива охолодження (рис.2.2.3) засвідчує, що температура плавно знижується до точки 1. Починаючи від точки 1 (початок кристалізації), спад темпера­тури стабілізується у зв'язку з виділенням прихованого тепла кристалізації. Після переходу всього рідкого металу в кристалічний стан (точка 2) припиняється виділення прихованого тепла кристалізації і знову настає плавне зниження температури аж до кімнатної.

Аналіз кривих охолодження чистих металів показує, що під час дуже повільного охолодження зі швидкістю v_; ступінь переохолодження Дг_у невеликий і кристалізація відбувається при температурі, близькій до рівноважної t_s. За більших швидкостей охолодження (v_Jt v₃) ступінь переохолодження (Дґ₂, Д/,) зростає і температура кристалізації металу помітніше відрізняється від рівноважної. Звичайно ступінь переохолодження Лі не перевищує 10... ЗО °С і залежить від природи та чистоти металу. Що чистіший метал, то більша його схильність до переохолодження.

2.2.2. Механізм криспиїлЬації

Експериментально встановлено, що кристалізація відбувається у дві стадії:

• зародження найдрібніших кристаликів — центрів кристалізації (перша , стадія);

• їх ріст (друга стадія).

Обидві стадії у різних місцях розтопу можуть відбуватись одночасно. Розрізня-^Ють два механізми зародження кристалів:

• гомогенний, описаний вище, коли центри кристалізації виникають у однорідній Рідині;

• гетерогенний, коли центрами кристалізації стають тверді чужорідні частинки, ^Нагфиклад, оксиди чи нітриди, розсіяні в рідкому металі.

У переохолодженому металі зароджуються центри кристалізації у тих

мікрооб'ємах, де найвпорядкованіше розташування атомів. Розміри таких центрів дуже малі. Вони безперервно розпадаються і знову зароджуються. Очевидно, що зі збільшенням переохолодження рідкого металу сповільнюється хаотичний рух його атомів і окремі їх впорядковані угрупування стають стійкішими. Отже, переохолодження створює умови, при яких підвищується стійкість центрів кристалізації і зменшується їх мінімальний або критичний розмір. Критичним R_K називається такий мінімальний розмір зародка R, який здатний збільшуватись при даній температурі. Якщо розмір зародка менший від критичного R^ (рис.2.2.4), він не росте, оскільки це призведе в кінцевому результаті до збільшення вільної енергії системи і такий зародок розчиниться у рідкому металі. Коли утворюється зародок більший від R_K, то він стійкий і здатний рости, бо зі збільшенням його розмірів вільна енергія системи зменшується.

Іноді для отримання дрібнозернистої структури в розтоплений метал вводять незначну кількість чужорідної речовини—модифікатора. Важкотопкі модифікатори стають центрами кристалізації. Натомість поверхнево-активні модифікатори, осідаючи на утворених зародках (кристаликах), зменшують їх поверхневу' енергію, що спричиняє зменшення критичного радіуса R_K.

Ріст кристалу зводиться до поступового збільшення розмірів зародка за рахунок приєднання нових атомів, що надходять із рідкого металу. Вільний ріст триває до моменту дотику сусідніх кристалів. У місцях дотику ріст припиняється, але він продовжується у тих напрямах, де є вільний доступ рідини. В результаті утворюються кристали, що мають неправильну геометричну форму—кристаліти або зерна.

2.2.3. Кінетика кристалізації

Результати кристалізації залежать від швидкості зародження центрів криста­лізації (v₄₄) і швидкості їх росту (v_p). Швидкість зародження v^ —це кількість центрів кристалізації, яке виникає в одиниці об'єму рідини за одиницю часу. Швидкість росту кристалу v_p — це швидкість збільшення його лінійних розмірів

у мм за одиницю часу (мм/с).

Німецький учений Г.Таман (1861-1938) показав, що величини v_t4 iv^, залежать від ступеня переохолодження Дї (рис.2.2.5). При теоретичній температурі кристалі­зації t_s, коли М = 0, v^ = 0 і v_p = 0 процес не відбувається. З ростом Дґ значення v^' v_p збільшуються до максимуму, а потім зменшуються до нуля. Максимуми ^vh.k ^{l х}р відповідають різним числовим значенням Дґ.

Розміри зерен залежать від ступеня переохолодження. Після переохолодження металу до значення At, що відповідає точці а (рис. 2.2.5), утворюються зерна великих розмірів, оскільки тоді швидкість зародження центрів кристалізації мала, а лінійна швидкість росту кристалів велика. При ще більшому переохолодженні (точка Ь), коли значення v^ велике, a v_p мале, отримуємо дрібні зерна. При дуже значному переохолодженні (точка с) кристали взагалі не утворюються і твердий метал має злтпсЬну структуру з невпорядкованим розташуванням атомів.

У виробничих умовах кристалізація ускладнюється різними факторами, серед яких: температура розливання рідкого металу в форми, його хімічний склад, напрям потоку відведення тепла, наявність твердих частинок. Перелічені фактори можуть мати істотний вплив на форму та розміри зерен.

2.2.4. Поліморфні перетворення

Поліморфним перетворенням називається зміна кристалічної будови залежно від температури і тиску. Перехід до нового типу кристалічної ґратки супроводжується зменшенням вільної енергії кристалів, що утворюються, порівняно з вихідними кристалами. Велике практичне значення має температурний поліморфізм, тобто наявність у металі різної кристалічної будови в інтервалі певних температур. На кривих охолодження поліморфному перетворенню відповідає горизонтальний відрізок сталої температури, завдяки виділенню прихованого тепла перекристалізації. Близько 30 металів мають два, а іноді й три різні типи елементарних кристалічних комірок. Кристалічну будову, стійку при низьких температурах, позначають грецькою літерою а, при високих температурах — літерою Д при ще вищих — літерою у і т.д. Названі грецькі літери у вигляді індексів долучають до символу хімічного елемента (наприклад, Fe_a, Fe^, Ti_a, Ti^g, Sn_a, Sn^g).

у рівноважному стані залізо має дві температури поліморфного перетворення:

У11 і 1392 °С. Воно кристалізується при температурі 1539 °С (рис.2.2.6) з утворенням

кристалічної комірки об'ємноцентрованого куба (Fe^). При температурі 1392 °С

наслідок вторинної кристалізації об'ємноцентрована ґратка Fe_a переходить у гране-

^ентровану Fey, а при 911 °С—знову в об'ємноцентровану гратку, Fe_a. Критична

мпература 768 °С не пов'язана з вторинною кристалізацією, а лише зі змінами в

електронній взаємодії, внаслідок чого залізо під час охолодження набуває

гнітних властивостей. При температурах, вищих за 768 °С, залізо немагнітне.

Зміна типу кристалічної будови у твердому стані відбувається шляхом зародження центрів нових кристалів і подальшого їх росту. Такий процес іноді на­зивають вторинною кристалізацією на відміну від кристалізації первинної, що відбувається у рідині. Під час вторинної кристалізації зародки нових кристалів найчастіше виникають на границях зерен старих кристалів. У процесі росту нових кристалів протягом певного часу зберігається когерентний зв'язок між: новою і старою ґратками в площині, де атоми обох ґраток є спільними.

Характерною особливістю вторинної кристалізації є можливість досягти дуже великого переохолодження, внаслідок чого вдається практично зупинити перебудову ґратки завдяки зниженню швидкості самодифузії атомів, необхідної для росту нових кристалів. Збільшуючи переохолодження до граничного значення, можна закріпити термодинамічно нестійкий високотемпературний стан і зберегти його протягом тривалого часу при кімнатній температурі. Поліморфні перетворення супроводжуються стрибкоподібною зміною властивостей металу. Ці перетворення лежать в основі зміцнювальних і знеміцнювальних термообробок.

Різновидом поліморфізму є алотропія тобто здатність одного елемента існувати у вигляді різних простих речовин. Прикладом алотропічного перетворення є перебудова кристалічної Ґратки графіту в кристалічну гратку алмазу при надвисокому тиску і підвищеній температурі.

Розділ З

ДЕФОРМАЦІЯ, РЕКРИСТАЛІЗАЦІЯ І МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ

2.3.1. Поняття про напруження

В процесі експлуатації на деталі машин діють сили. Щоб оцінити інтенсивність цих сил, вводять поняття про напруження. Для випадку одновісного розтягу (рис. 2.3.1, а) напруження а дорівнює відношенню прикладеної сили F (Н) до площі S (мм²) поперечного перетину зразка (деталі) площиною тп:

F

СТ = -д-'МПа. (2.3.1)

Проведемо ще одну площину тр₁ (рис.23.1,б) під деяким кутом а до площини поперечного перетину тп. Площа Sj зразка в перетині /и_/л_і дорівнює Sj = Slcoscc. Розкладемо силу F на дві складові: нормальну F,,, перпендикулярну до площини т_Іп_І і дотичну F,,, що лежить в цій площині. Очевидно, що F,, = F • cosa і ¥_д = F ■ sina. Отже, в площині т_Іп₁ діє два види напружень:

- нормальне

О =~$- = ~$ ■ cos²a; (2.3.2)

- дотичне .

¥_д F sm2a

Із формул (2.3.2) і (2.3.3) видно, що найбільше нормальне напруження — Досягається при а = 0°, а максимальне дотичне напруження Т — при а - 45°. Присутність у зразку (деталі) концентраторів напружень у вигляді конструк­тивних надрізів або отворів, тріщин, а також внутрішніх дефектів матеріалу (тріщини, ^еметалеві включення, газові порожнини та ін.) призводить до виникнення біля їх ^ВеРшини високих напружень о_к. Вони зростають зі зменшенням радіуса заокруглення г (рис.2.3.1,г) і збільшенням глибини А.

7Q

2.3.2. Пружна і пластична деформації металів Деформацією називається зміна розмірів і форми тіпа під дією навантажень. Розрізняють пружну і пластичну деформації.

Пружна деформація зникає після припинення дії навантажень, що її спричинили. Під час пружної деформації атоми кристалу зміщаються на відстані значно менші від величини параметра елементарної комірки, коли зі зростанням міжатомних відстаней сили взаємного притягання атомів збільшуються. Після зняття навантажень атоми під дією цих сил повертаються у положення рівноваги, а тіло відновлює свої початкові розміри й форму. Нормальні напруження Свикликають тільки пружну деформацію розтягу (рис.2.3.2), а дотичні напруження т (рис.2.3.3,6) —кутову (зсуву). Пружна деформація не викликає помітних змін в структурі та властивостях металу.

Пластичною або залишковою називається деформація, яка зберігається в тілі після зняття ішвантажень. На відміну від пружної в процесі пластичної деформації окремі групи атомів металу переміщаються на велику кількість міжатомних відстаней. Після цього вони знову займають положення рівноваги, завдяки чому пластично деформований метал залишається суцільним. Пластична деформація наступає після досягнення дотичними напруженнями критичного рівня т. (рис.2.3.З.в). Внаслідок дії цих напружень деформація стає необоротною: під час їх зняття зникає тільки пружна складова сумарної деформації (рис.2.3.З.г), а пластична залишається.

Окремої уваги заслуговують залишкові деформації, викликані дією неоднакового розширення (стиснення) поверхневих і внутрішніх шарів виробу, швидкого нагрівання (охолодження) або зміною об 'ему певних структур під час поліморфних перетворень. У залишковій деформації треба розрізняти пластичну незмінну в часі складову, і пружну (в'язку) складову, яка поступово зменшується в часі, прямуючи до нуля.

Пластична деформація реалізується переважно двома шляхами:

• ковзанням;

• двійникуванням.

Ковзання є головним механізмом пластичної деформації. Під час ковзання частина кристалу пересувається відносно іншої його частини вздовж площини ковзання піт під дією дотичних напружень т, що досягай критичної величини т . Найлегше ковзання здійснюється у кристалографічних площинах, де густина атомів максимальна. Міжатомна відстань між такими площинами найбільша, а сили міжатомного притягання мінімальні.

Ковзання в реальному монокристалі відбувається в результаті послідовного переміщення дислокацій. За рахунок напруження г дислокація поступово пересувається в площині ковзання ABCD (рис.2.1.8,6) поки не вийде на поверхню кристалу і не утворить на ній сходинку (рис.2.1.8,в) величиною у вектор Бюргерса. Звичайно, що в цій площині перебуває не одна, а багато дислокацій і при виході їх на поверхню кристалу величина сходинки збільшується. Після досягнення сходинкою певних лінійних розмірів її можна спостерігати на фоні попередньо відполірованої поверхні в оптичному мікроскопі у вигляді лінії ковзання. Близько розташовані лінії ковзання утворюють смугу ковзання.

Під час ковзання генеруються все нові й нові дислокації. Внаслідок зростання кількості дислокацій метал зазнає деформаційного зміцнення. Подальшому рухові дислокацій заважають такі перепони як інакше орієнтовані дислокації, тверді складові структури, границі блоків і зерен тощо. Біля дислокацій виникає поле напружень, завдяки якому сусідні дислокації відштовхуються. Метал з великою кількістю дислокацій деформувати важче, ніж з малою кількістю дислокацій. В місцях надто великого нагромадження дислокацій може утворитись навіть мікротріщина.

Ковзання в ідеальному кристалі без дислокацій, повинно проходити шляхом одночасного переміщення всіх атомів, що перебувають у площині ковзання. Як показали теоретичні розрахунки, таке одночасне переміщення атомів вимагає дуже високих напружень т' , величина яких називається теоретичною міцністю металу. Теоретична міцність більша за реальну в сотні й до тисячі разів.

Двійникування полягає в тому, що під дією дотичних напружень т (рис.2.3.4) одна частина кристалу симетрично переорієнтовується відносно іншоїйого частини; площина симетрії є площиною двійникування. Механізм двійникування складний і ми його тут не розглядаємо. Двійникування відбувається переважно в металах з ГЩУ кристалічною коміркою.

У інженерній практиці зустрічаємось не з монокристалічними, а з полікриста-

лічними матеріалами, що складаються із кристалітів різної орієнтації. Пластична

Деформація у полікристалах відбувається аналогічно як і в монокристалах, тобто

Шляхом ковзання і двійникування. Однак границі зерен з різною орієнтацією є пе-

Рещкодою для одночасної деформації в усіх зернах. Насамперед деформуються ті

^3еРна, кристалографічні площини яких найсприятливіше розташовані відносно

апрямку максимальних напружень. З ростом деформації ковзання охоплює все

°ві й нові зерна. Вони поступово видовжуються у напрямку напружень і в кінцевому

Результаті стають подібними до волокон в деревині.

Структуру, що складається із видовжених під час пластичної деформації зерен, називають волокнистою. Відомо, що міцність, ударна в'язкість і пластичність металу вздовж волокон вищі, ніж впоперек волокон. Тому потрібно виготовляти відповідальні деталі так, щоб напрям діючих напружень збігався з орієнтацією волокон.

■

2.3.3. Наклеп

Наклепом називається зміцнення металу під час холодної пластичної деформації. Наклеп підвищує твердість й міцність та знижує пластичність. Зміцнення і окрихчення металу можна пояснити зростанням числа дефектів кристалічної будови (дислокацій, вакансій, міжвузлових атомів), довкола яких є пружні спотворення кристалу. В результаті опір переміщенню дислокацій значно підвищується. Що більша деформація, то сильніше змінюються властивості наклепаного металу. Зазначимо, що метали з ГЦК коміркою наклепуються сильніше, ніж метали з ОЦК коміркою. Нерідко наклеп використовують як самостійний спосіб обробки для зміцнення виробів. Так, міцність сталевого дроту, виготовленого холодним волочінням, можна довести до дуже високого рівня.

У наклепаному металі акумулюється 5... 10 % від загальної кількості енергії, що була витрачена на деформацію. Нагромаджена в металі потенціальна енергія зосереджується в околі дефектів у вигляді енергії пружної деформації. Наклепаний метал енергетично нестабільний. Тому будь-яка зовнішня активація і найперше теплова, стає причиною його переходу до стабільнішого стану. Цьому сприяють дифузійні процеси, які посилюються з підвищенням температури.

2.3.4. Віднова

Відновою називають зменшення густини дефектів кристалічної будови нак­лепаного металу під час нагрівання без помітних змін структури, видимої в оптич­ному мікроскопі. Унаслідок метал переходить до більш рівноважного стану, шо супроводжується незначним зниженням твердості й міцності та деяким зростанням пластичності. Віднова проходить через дві стадії:

• відпочинок;

• полігонізацію.

Віднова відбувається під час незначного нагрівання, коли термодинамічна температура металу не перевищує 0,2 Т_т (де Т_т — термодинамічна температур⁰ топлення металу). Тоді знижується кількість точкових дефектів, дислокацій,

ково знімаються залишкові напруження і спотворення кристалічної будови, rf егрупування дислокацій під час віднови не призводить до утворення нових мІкутових границь.

Полігонізація (від грецького слова noXv/cavm— багатокутник), як друга стадія віднови, полягає у нагріванні металу до температури (0,2...0,3) Т_т з утворенням в межах окремого кристалу фрагментів і блоків (полігонів), розділених малокутовими границями. Під час нагрівання до температури полігонізації рухливість дислокацій зростає. Невпорядковані дислокації з протилежними знаками всередині зерен, під час зіткнення взаємно знищуються, а дислокації одного знаку створюють малокутові границі фрагментів і блоків (рис.2.3.5,6). Такі блоки дуже дрібні й вільні або майже вільні від дислокацій. З підвищенням температури й збільшенням тривалості витримки внаслідок міграції дислокаційних границь зливаються сусідні фрагменти та блоки.

Полігонізація рідко розвивається в міді та її стопах, зате активніша в алюмінію, залізі, молібдені та їх стопах. Полігони виявляють велику тривкість під час нагрівання: вони практично не піддаються рекристалізації й зберігаються майже до температури топлення металу.

2.3.5. Рекристалізація

Рекристалізація—процес зародження та росту нових недеформованих зерен під час нагрівання наклепаного металу до заданої температури. Рекристалізація відбувається при вищій температурі, ніж віднова. Є дві стадії рекристалізації:

• первинна (рекристалізація обробки);

• збиральна.

Первинна рекристалізація полягає в зародженні у деформованій структурі здеформованих зерен та їх подальшому рості. Рушійним фактором первинної рекристалізації є енергія, акумульована в наклепаному металі, який намагається зменшити її й перейти до стабільнішого стану структури з нових недеформованих зерен. Перші зародки нових зерен виникають у найбільш деформованих зонах, переважно на границях початкових зерен і в смугах ковзання. Цей процес можна начно інтенсифікувати, збільшуючи температуру й деформацію металу.

-зерна ростуть внаслідок міграції атомів із деформованих зон до зародків

новоутворених зерен. Первинна рекристалізація закінчується повною заміною

чаткових зерен новими, переважно з іншою кристалографічною орієнтацією.

°воутворені зерна мають невелику кількість лінійних і точкових дефектів. У

Ультаті наклеп майже зовсім знімається, міцність і твердість металу істотно

^Зменщ_{ується> а} пластичність зростає (рис.2.3.6).

Найнижча температура, при якій починається рекристалізація, називається температурним порогом рекристалізації (Т_рек). Названа температура не є фізичною сталою даного металу, як, наприклад, температура топлення. Температурний поріг залежить від ступеня попередньої деформації, часу нагрівання, чистоти металу, легувальних елементів тощо. Величина порогу знижується з підвищенням ступеня деформації і тривалості нагрівання.

Термодинамічна температура порогу рекристалізації Т_рек пов'язана з термо­динамічною температурою топлення Т„, металу залежністю:

V= аТ,„. (2.3.4)

На коефіцієнт а найбільше впливає чистота металу і пластична деформація. Для металів технічної чистоти а = 0,4 і знижується зі збільшенням пластичної деформації. Для особливо чистих металів а = 0,1...0,2, а для твердих розчинів а = 0,5...0,6 і більше. Нижче подаємо наближені значення температури початку рекристалізації деяких металів, розраховані за формулою (2.3.4).

Метал W Mo Fe Cu Al Pb Sn

t °С 3410 2663 1539 1083 660 328 232

t ,°C 1200 900 450 270 100 -30 -70

pen}

При незначній попередній пластичній деформації рекристалізація не відбувається. Та мінімальна деформація, вище якої починається первинна рекристалізація, с критичною деформацісю. Наприклад, критична деформація для алюмінію становить близько 2 %, для заліза й міді—близько 5 %. У металах із незначною попередньою деформацією утворюються найбільші рекристалізовані зерна, а в міру її зростання розміри рекристалізованого зерна зменшуються.

Щоб зовсім зняти наклеп, метал нагрівають до температури, що перевищує поріг рекристалізації. Такий вид термічної обробки називають рекристалізаційний відпалом. Його застосовують для надання металові високої пластичності перед холодною обробкою тиском, а також як кінцеву обробку після пластичної деформації. Температура рекристалізаційного відпалу для низьковуглецевих сталей

_я£Ться в межах 600.. .700 °С, для латуней і бронз — 560.. .700 °С, для стопів

І^Вішк>-350...450°С.

р кристалізація стопів, що складаються з різнорідних кристалів (фаз) відбувається

пніше порівняно з рекристалізацією стопів з однорідними кристалами. У

^СК Лазових стопах значну роль відіграють розмір кристалів другої фази й відстань

^ДВ цими кристалами. Зі зменшенням відстані між ними збільшується опір

^М1 емішенню дислокацій, через що рекристалізація гальмується. Внаслідок

. _ищується температура рекристалізації і збільшується час, необхідний на її

шення. jj_0Bi зерна зароджуються головним чином на границях різнорідних

кристалів.

Після закінчення первинної рекристалізації триває ріст новоутворених зерен, особливо, коли збільшувати час витримки або температуру. Важко чітко встановити межу між первинною і збиральною рекристалізаціями.

Ріст одних рекристалізованих зерен за рахунок сусідніх рекристалізованих зерен називається збиральною рекристалізацією.

Вирішальним для збиральної рекристалізації є поверхнева енергія новоутворених зерен, величина якої після процесу знижується, оскільки сумарна довжина границь великих зерен значно менша, ніж дрібних. Зазначимо, що після первинної рекристалізації утворені зерна дрібні, хоч і не однакові за розмірами. Різниця поверхневих енергій сусідніх дрібних і великих зерен сприяє збиральній рекристалізації. Великі зерна ростуть за рахунок дрібних внаслідок переходу атомів через границі зерен. Ріст зерен особливо активізується з підвищенням температури.

Залежність величини площі рекристалізованих зерен від температури й ступеня деформації наочно простежується на діаграмі рекристалізації (рис.2.3.7). Хоч діаграма не враховує впливу багатьох факторів: домішок, швидкості нагрівання тощо, все ж таки в першому наближенні вона дозволяє вибирати режим рекристалізаційного відпалу.

2.3.6. Механічні властивості металів

Механічні властивості характеризують поведінку матеріаіу під дією наванта-

^ень- Навантаження бувають статичні (є незмінні або зростають повільніше, ніж

Роцеси в металі), динамічні (зростають з великою швидкістю) і циклічні або

торнозмінні (змінюються періодично, звичайно, за синусоїдним законом).

Механічні властивості визначають експериментально, дотримуючись стандартниу методик. До цих властивостей належать міцність, пластичність, твердість, ударн_а в'язкість, витривалість та інші.

2.3.6.1. Міцність

Міцність — це здатність матеріалу чинити опір пластичній деформації і руйну. ванню під дією навантажень.

Важливою характеристикою матеріалу є границя міцності, яку визначають в результаті руйнування зразків під час статичних випробовувань на спеціальних розривних машинах. Найчастіше випробовують на розтяг, рідше на стиск, згин або закрут. У випадку розтягу стандартний зразок круглого (рідше прямокутного) перетину навантажують двома однаковими й протилежно спрямованими силами вздовж його осі. Ці сили плавно зростають доти, поки зразок не зруйнується Найчастіше використовують довгі зразки, в яких l/d= = 10, або І_о = 1 l,3^Ts^ рідше — короткі, в яких l/d = 5 або І_о = 5,65V S_o, (де Ι_σ—початкова розрахункова довжина і d_o — початковий діаметр зразка; S_o — початкова площа поперечного перетину зразка) [10]. Перед випробовуванням на зразок наносять позначки, якими позначають величину І_о, потім вимірюють /_о і d_a.

Розривна машина має самопис, що рисує діаграму в координатах сила розтягу F—абсолютне видовження зразка АІ(рис.2.3.8). Прямолінійна ділянка ОА діаграми відповідає пружній деформації зразка, яка зникає під час зняття сили F. Зростання сили до F_T спричиняє появу пластичних деформацій. Це виразно проявляється на горизонтальній ділянці АВ діаграми, в межах якої деформація істотно збільшується без помітного зростання сили розтягу. За числовим значенням сили F_T, що відповідає горизонтальній ділянці діаграми, розраховують фізичну границю текучості матеріалу σ., як відношення сили F_T, при якій зразок деформується без помітного зростання сили, до початкової площі поперечного перетину S_o зразка:

Ft 4Ft

σ = —= —77- (2.3.5)

S_o nd_t²

Більшість металів і стопів не мають явно вираженої горизонтальної ділянки текучості. Для них визначають умовну границю текучості як відношення сили F_w, що відповідає залишковому видовженню зразка А/ = 0,0021_g до початкової його площі поперечного перетину S_o:

Fo,2 4Fo,2

Подальше збільшення сили F призводить до росту пластичної деформації рів-•рної по робочій довжині зразка. В точці С, що відповідає силі ¥_тах почи-^Н° ся локалізація пластичної деформації в найслабшому місці зразка. Це приз-^Н3 ть до утворення шийки. Точка D діаграми відповідає руйнуванню зразка. ^В Границею міцності матеріалу на розтяг σ^ називається відношення найбічьшоїсили яку витримує зразок перед руйнуванням, до початкової ігчощі його поперечного перетину S_o:

F™.v 4F,,,«.v

σ,,= —= -ττ- (2.3.7)

S_o Tid-

У зв'язку зі зменшенням діаметра в зоні шийки сила F поступово зменшується, починаючи з точки С.