Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика прочности. Пособие к практическим занятиям и домашним работам. Учебное пособие
.pdf
Для определения степени порядка в этих сплавах необходи-
АФГ 2 2
ss
ss
γ
АФГ 1
rs
rs
мо воспользоваться формулой (7.2). Для конкретизации того,
как применить эту формулу, необходимо принять во внимание
следующие рассуждения. В сплаве 1 имеется недостаток атомов Al по отношению к стехиометрическому составу, поэтому
показатель вероятности рАl трудно определим. Но зато по отношению к атомам Fe (а их больше, чем требуется по формуле)
показатель pFe = 1 (атомы железа займут не только все места
в своей подрешетке, которые им положены по формуле и схеме упорядочения, но и начнут замещать часть узлов в подрешетке Al). Тогда формула (7.2) может быть записана в виде
s1 = (1 – cFe) / (1 – 0,75) = 0,946. Для сплава 2 ситуация про-
тивоположна – в нем избыток атомов алюминия, поэтому для
этого сплава степень дальнего порядка надо определять именно по алюминию (для него pAl = 1) и тогда формула (7.2) запишется в виде s2 = (1 – cAl) / (1 – 0,25) = 0,878.
Далее, записав выражения (7.3) для сплава 1 и сплава 2 в
общем виде, найдем их отношение
АФГ 1 1
=γ. С учетом за-
()
()
висимости (7.1) получаем
(1)
АФГ 2
= (7.5)
.
(2)
Формулировка домашней работы.
Определите максимальное изменение предела текучести в
сплавах системы Ti – Al, Cu – Zn ... (указывается конкретная
система) для области существования фазы (твердого раствора)
Al, TiAl, CuZn, ... указывается конкретный интерметал-
(Ti
3
лид из заданной системы или область составов, подлежащая
анализу) при охлаждении от ... до ... (указывается интервал
температур). Принять ТК равной температуре образования
данной фазы (раствора). Указать эти сплавы и температуры,
при которых проводилось сравнение.
Пример решения.
Пусть условием работы будут: система Cu – Zn, область существования γ-фазы (с общей формулой CuZn2), интервал температур от 800 до 0 °С. Диаграмма фазового равновесия для
этой системы приведена на рис. 7.4.
51
Горизонтальной пунктирной линией на диаграмме отмечена предельная температура для анализа, а вертикальной – линия для сплава со стехиометрическим составом.
Рис. 7.4. Диаграмма фазового равновесия Cu – Zn [10]
По условию задачи требуется найти сплавы с максимальным различием в прочности, но так как прочность пропорциональна в конечном итоге степени дальнего порядка, то
требуется найти сплавы с максимальной разницей в степени
дальнего порядка. Поскольку линия для стехиометрического
состава проходит через заданную область составов (а это наблюдается не для всех интерметаллидов), то максимальная
степень дальнего порядка будет равна 1 и будет наблюдаться
в сплаве состава 66,6% Zn + 33,3% Cu при любых температурах (но ниже 745 °С – температуры полного образования фазы
CuZn2 по перитектической реакции).
52
Минимальной степенью дальнего порядка будет обладать
сплав из заданной области, химический состав которого дальше всего расположен от стехиометрического как в случае обогащения Zn, так и в случае обогащения Cu. Положение составов таких сплавов обозначены на диаграмме большими
черными точками. Но из этих двух вариантов надо выбрать
тот, у которого степень дальнего порядка будет меньше. Химический состав сплава с избытком Zn по отношению к стехиометрическому составу (правая точка) есть 70% Zn + 40%
Cu, а с избытком Cu (левая точка) – 58% Zn + 42% Cu. Для
них степени дальнего порядка будут соответственно равны
(1 – 0,7) / (1 – 0,66) = 0,882; (1 – 0,58) / (1 – 0,33) = 0,636, и
для дальнейшего анализа необходимо брать данные для сплава с избытком меди.
Расчет максимальной разницы в пределах текучести по
формуле (7.5)
(τ1 / τ2 )
= 1 / 0,636 = 1,57.
max
Пример формулировки ответа.
Максимальная разница в пределах текучести для сплавов
системы Cu – Zn для области существования интерметаллида
CuZn
, равная 1,57, будет наблюдаться между сплавами соста-
2
ва 66,6% Zn + 33,3% Cu, взятого при любых температурах (но
ниже 745 °С) и 58% Zn + 42% Cu, взятого при температурах из
диапазона 700–400 °С.
Особенности решения задачи для некоторых типов диаграмм состояния.
1. На диаграммах состояния в области промежуточных соединений может быть нанесена пунктирная линия, обозначающая температуру Курнакова Т
(как для соединения CuZn на
К
рис. 7.3). В этом случае анализ проводится только для температур ниже этой линии.
2. В задании может быть указана область граничного твердого раствора. При значительной предельной растворимости
легирующего элемента в металле основы (как на рис. 7.3 область около 100% Cu – твердые растворы на основе меди; для
данного примера растворимость цинка в меди – 39 ат. %) в
пределах этой области может наблюдаться упорядочение по
типу Cu
Zn, и тогда дальнейший анализ ничем не отличается
3
от описанного выше.
53
3. Если в задании указана область граничного твердого раствора и она достаточна узка, так что в нее не может «вместиться» полностью область существования интерметаллида, то необходимо анализировать только те сплавы, составы которых
прилегают к области границы предельной растворимости, как
для области твердых растворов на основе никеля на примере
рис. 7.5 для системы Ni – Al (область существования γ-фазы).
Область для анализа выделена на рисунке серым цветом.
54
Рис. 7.5. Диаграмма фазового равновесия Ni – Al [11]
Практическое занятие 8
СЕГРЕГАЦИИ НА ДИСЛОКАЦИЯХ
И ВНУТРЕННИХ ГРАНИЦАХ
В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
Атомы примесей (точечные дефекты) и легирующих элементов (и те, и другие далее будут обозначаться обобщенным
термином «атомы примеси») могут взаимодействовать с дислокациями (линейными дефектами), дефектами упаковки (плоскостными дефектами), высокоугловыми границами и границами раздела (также плоскостными дефектами) фаз через
упругие поля, создаваемые этими дефектами. Если точечные
дефекты притягиваются к дислокациям, дефектам упаковки,
границам, тогда концентрация точечных дефектов в этих областях повышается. Это и есть процесс образования сегрегаций. Сегрегации, образующиеся около дислокаций, называются сегрегациями Котрелла (или «атмосферами» Котрелла).
Сегрегации около дефектов упаковки называются сегрегациями Сузуки. Осаждение атомов по границам зерен – это образование зернограничных сегрегаций. Сегрегировать могут как
атомы замещения, так и атомы внедрения (последние – много
быстрее). Особый случай – «атмосферы Снука». Это явление
состоит в предпочтительном расположении только атомов внедрения в октаэдрических порах и только в материалах (металлах, сплавах, интерметаллидах) с ОЦК-решеткой.
Образование сегрегаций может приводить к упрочнению
(образование «зуба текучести» на диаграммах растяжения,
эффект динамического деформационного старения), охрупчиванию (отпускная хрупкость в сталях), дополнительному рассеянию энергии при приложении циклических нагрузок (эффект Снука).
Процесс образования сегрегаций – это процесс, развивающийся во времени и определяемый скоростью диффузии атомов примеси в кристаллической решетке. «Мощность» сегрегаций оценивают по локальному повышению концентрации
атомов примеси около дефекта. При значительном содержании примеси в сплаве количество сегрегированных на дислокацию атомов может стать настолько большим, что говорят о
«конденсации» атмосфер Котрелла. Учебное представление
55
об этом явлении – образование сплошной цепочки примесных
V
∑
атомов вдоль оси дислокации, а в предельном случае (когда
все атомы примеси переместятся к оси дислокации) – и о формировании многослойных сегрегаций Котрелла, окутывающих ось дислокации. В этом учебном примере концентрация
примеси около оси дислокации может достинать100 и более %
ат. Реальное строение концентрированных сегрегаций по наблюдениям в автоионном микроскопе (АИМе) и в микроскопе
атомных сил более «разумно»: предельная концентрация сегрегации не превышает 50%, а атомы расположены статистически равномерно в области, представляющей из себя цилиндр
радиусом (3–5)b вдоль оси дислокации.
Формулировка задачи практического занятия.
Оцените величину слоя конденсации атмосфер при полном
осаждении из мартенсита с 0,2% С всего углерода на дислокациях при их плотности 1012 см-2. Определите, какой концентрации углерода достаточно для образования сплошной одноатомной цепочки углерода на всех дислокациях.
Решение задачи.
1. Углеродистый мартенсит образуется только в сталях,
значит, речь идет о кристаллической решетке железа. При
комнатной температуре форма кристаллической ячейки малоуглеродистого мартенсита (да еще при уменьшении степени
его тетрагональности из-за выделения атомов углерода на дислокациях) может быть принята, как объемно центрированная
(ОЦК). Период решетки ОЦК-железа а ≈ 2,87 Å.
2. Примем, что у нас есть 1 см3 стали 20. Идея решения задачи – сравнить количества атомов углерода n и количества
возможных мест его расположения около оси дислокаций N.
3. Определим количество узлов в кристаллической решетке, расположенных вдоль осей всех дислокаций. Плотность
дислокаций ρ [см–2] по одному из двух применяемых в металловедении способов может быть определена по формуле
l
где ∑l – сумма длин дислокаций в объеме (см);
V – объем (см
56
3
).
ρ=
,
(8.1)
Отсюда сумма длин всех дислокаций
lV
∑
≈⋅ =62,45
3
a
∆
∑
a
C
C
/ 16.kN n= ≈
.
=ρ⋅
Расстояние между атомами в ОЦК-решетке вдоль оси вин-
товых дислокаций (вдоль <1; 1; 1>) равно вектору Бюргерса в
ОЦК-решетке и равно
ba= ⋅
3
≈ 2,05 Å, а вдоль оси краевых
2
дислокации (вдоль <1; 1; 2>) равно
Å. Примем
для этой величины среднее значение ∆ = 2,25 Å. Теперь количество атомных узлов вдоль всех осей дислокаций будет равно
l
= =
Vnρ
.
∆
(8.2)
4. Для определения числа атомов углерода в выбранном
объеме необходимо выразить его концентрацию в атомных
процентах. Пример такого преобразования приведен в работе
№ 7.
% С ат. = (0,2 / 12) / [(0,2 / 12) + (99,8 / 56)] =
= 0,828% = 8,28 · 10
5. Общее число атомных узлов в 1 см
NV
= (8.3)
-3
(в долях).
2
3
3
стали равно
с учетом того, что на каждую элементарную ячейку в ОЦКрешетке приходится 2 атома. Тогда число атомов углерода в
выбранном объемеv N
будет равно
C
= ⋅
ат.(% C).NN (8.4)
6. Количество атомов углерода k, приходящееся на один
атомный узел около оси дислокации, будет равно
7. Для получения моноатомного слоя будет достаточно
0,2 % масс. / 16 ≈ 0,013% С.
57
Формулировка домашней работы.
Домашняя работа может быть сформулирована в трех вари-
антах.
Вариант 1. Определите локальное повышение концентрации фосфора в стали [Ст. 3, 20, 40Х, 38ХН3МФА, У8, Р5М5
...] на границах зерен (ГЗ) в образцах с зерном [№ 5, № 3, № 10
...] при условии, что весь фосфор сегрегирует на ГЗ.
Вариант 2. Определите локальное повышение концентрации фосфора на дефектах упаковки (ДУ) в монокристаллах
стали 08Х18Н10Т с γДУ = 45 мДж / м2, продеформированной
на 10%, при условии, что весь фосфор сегрегирует на ДУ.
Вариант 3. Определите локальное повышение концентрации фосфора на поверхности карбидных частиц в стали [40Х
после ее улучшения, стали У8 после сфероидизирующего отжига, ...] при условии, что весь фосфор сегрегирует на поверхности цементитных частиц.
Указания по выполнению домашней работы.
Отличие домашнего задания от рассмотренного выше примера в том, что рассматривается процесс осаждения атомов
примеси не на линию, а на плоскость. В остальном общая последовательность решения и этапы решения остаются теми
же.
Среднее содержание фосфора в сталях определяется по
стандартным химическим составам сталей, приведенным в
марочниках [12; 13].
Локальное повышение концентрации рассчитывается как
отношение концентрации фосфора в указанной в варианте области около геометрической поверхности раздела к средней
концентрации фосфора в стали. Эта величина может многократно превышать единицу.
К варианту 1:
– областью границы зерна считается зона толщиной 2
кратчайших межатомных расстояния и площадью, равной
площади поверхности зерна при описании его шаром;
– номер зерна по ГОСТ 5639–82 пересчитывается в диаметр зерна.
К варианту 2:
– областью, в которой происходит сегрегация атомов фосфора, считается область толщиной 2 кратчайших межатом-
58
ных расстояния, шириной rДУ, рассчитываемой по формуле
(4.1), суммарной длиной ∑l, определяемой по формуле (8.1)
из условия, что после деформации стали 08Х18Н10Т на 10%
10
плотность дислокаций в ней достигает значений ρ = 10
см-2.
К варианту 3:
– областью, в которой происходит сегрегация атомов фосфора, считается область толщиной 2 кратчайших межатомных и площадью, равной площади поверхности карбидных частиц при описании их формы сферой;
– средние размеры карбидных частиц определяются по
представленным снимкам металлографических шлифов.
59
Практическое занятие 9
АНАЛИЗ УПРОЧНЕНИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Композиционные материалы (КМ) – это искусственно созданные (в отличие от природных композиционных материалов, in situ) двух- и многофазные композиции, в которых
каждая из фаз играет свою роль. Чаще всего одна из фаз обеспечивает материалу прочность, а вторая – пластичность в сочетании с вязкостью. Как наиболее контрастный пример композиционного материала можно привести сплав, состоящий
из тонких волокон закаленной стали, залитых алюминием
или его сплавом; в этом примере стальные волокна придают
КМ прочность, а алюминий, препятствуя зарождению и распространению хрупкой трещины, придает ему необходимую
конструкционную пластичность и вязкость.
Структурная архитектура КМ может быть различной. В
рассмотренном примере материал относится к классу волокнистых КМ. Конструируют также слоистые и дисперсно-упрочненные КМ. В последних структурными элементами являются непрерывная матрица с расположенными в ней частицами
второй фазы равноосной или вытянутой формы. Существуют
КМ и с более сложной архитектурой структурных элементов.
Одними из перспективных методов получения конструкционных металлических материалов в настоящее время являются
методы, в которых используют большие пластические деформации (так называемые методы ИПД – интенсивной пластической
деформации). В них исходные заготовки подвергают пластическим деформациям в 1000% и более без их разрушения, а в некоторых случаях – с сохранением исходной формы изделия.
К таким методам относится метод аккумулирующей прокатки (или пакетной прокатки). В этом методе листы двух
разнородных металлов складывают вместе, полученную заготовку прокатывают так, чтобы получить адгезионно-прочный
контактный слой. При этом толщина листов каждого металла
в сборке уменьшается прямо пропорционально суммарному
обжатию, но во столько же раз увеличивается и длина листа.
Полученный лист складывают вдвое и подвергают повторной
прокатке. Процесс последовательного складывания и прокат-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]