2.3. Форма кристалла и строение слитка

Форма зерен, образующихся при кристаллизации, зависит от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и температуры жидкого металла, а также от примесей.

Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме. Вначале начинают расти оси первого порядка. Далее на них возникают оси второго и третьего порядка. Процесс заканчивается заполнением промежутков между осями.

Зона мелких равноосных кристаллов (1) образуется в условиях быстрого охлаждения. Столбчатые кристаллы растут под воздействием интенсивного направленного отвода теплоты – в противоположном ему направлении. Зона транскристаллизации (3) в месте стыка столбчатых кристаллов обладает относительно низкой прочностью. Крупные равноосные кристаллы (4) образуются в условиях медленного охлаждения.

2.4. Вторичная кристаллизация

Вторичной кристаллизацией называется процесс, в результате которого происходит полная замена одной кристаллической структуры на другую (аллотропическое превращение) или частичное изменение структуры (выделение новой фазы из твердого раствора при изменении его концентрации).

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или в разных полиморфных модификациях. Наличие разного кристаллического строения одного и того же вещества при различных температурах называется полиморфизмом. Например, олово, имеющее при комнатной температуре тетрагональную решетку (- фаза), при низких температурах меняет свою кристаллическую решетку на кубическую гранецентрированную (- фаза). При этом удельный объем увеличивается на 25,6% и металл превращается в порошок («оловянная чума»).

Лекция 3. Изменение структуры и свойств металлов в процессе пластической деформации

3.1. Виды деформаций

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформации бывают упругими и пластическими.

Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после снятия нагрузки. В основе упругих деформаций лежит обратимое смещение атомов вещества от положений равновесия, в основе пластических деформаций - необратимое.

При растяжении образца металла под воздействием силы на участке 1 он будет деформироваться упруго, а на участке 2 – пластически. Величина

,

где - площадь поперечного сечения образца, называется напряжением. Важными характеристиками металла являютсяпредел текучести

,

который характеризует несущую способность металла, и предел прочности или временное сопротивление

,

превышение которого ведет к разрушению образца путем излома.

Изломы подразделяются на две большие группы: хрупкие и вязкие.

Под хрупким понимают излом без признаков макроскопических пластических деформаций. Поверхность разрушения при хрупком изломе блестящая (кристаллическая). Хрупкое разрушение происходит, как правило, мгновенно без видимых изменений состояния объекта и весьма опасно в техническом отношении.

Пластическому или вязкому излому предшествует макроскопическая пластическая деформация. Поверхность разрушения при вязком изломе не будет идеально гладкой, она рассеивает световые лучи и выглядит матовой (волокнистой). Скорость разрушения при вязком изломе невелика.

Ударная вязкость – работа, необходимая для хрупкого разрушения образца материала при ударном нагружении.

Относительное удлинение показывает, на сколько удлиняется образец по сравнению с первоначальной длиной, до момента разрыва. Аналогичный смысл имеет относительное сужение.

Различают внешние напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения, возникающие в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев называются тепловыми. Напряжения, возникающие в процессе кристаллизации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему детали называют фазовыми или структурными.

Различают следующие внутренние напряжения:

• напряжения 1 рода (макронапряжения) – уравновешиваются в объеме всего тела или отдельных его макрочастей;

• напряжения 2 рода – уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен);

• напряжения 3 рода обусловлены смещением атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки и приводят к статическому ее искажению.