Деформация и разрушение металлов

       Упругая и пластическая деформация в своей основе принципиально отличаются друг от друга. При упругой деформации происходит обратимое смещение атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла. После снятия нагрузки атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходной положение и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства определяются силами межатомного взаимодействия.

       Механизм пластической деформации на примере монокристалла. Пластическая деформация в монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое t_кр.

       Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. Скольжение - смещение одной части кристалла параллельно другой вдоль плоскости скольжения или сдвига. Двойникование - перестройка части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (плоскость двойникования). Основное - скольжение.

       Деформация скольжением развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность упаковки максимальна: - ГЦК (медь, алюминий, никель) скольжение по плоскости (111), в направлении [110]; - ОЦК по плоскости (110), в направлении [111]; - ГПУ (магний, цинк) - по плоскостям базиса (менее пластичны по сравнению с ГЦК и ОЦК).

       Пластическая деформация в поликристаллических материалах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций от одной атомной плоскости к другой, до тех пор, пока не выйдет на поверхность. В процессе скольжения возникают новые дислокации и их плотность повышается от 10⁸ до 10¹² см^-2 (больше - трещины). В основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде всего, повышение плотности дислокаций. Движению дислокаций мешают границы зерен, создавая скопления дислокаций, при определенной плотности - трещины. При нагреве выше 0,3Т_пл начинает действовать механизм перемещения дислокаций - переползание, представляющее диффузионное смещение дислокаций в соседние плоскости решетки в результате присоединения вакансий.

       При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации, и делает металл анизотропным.

       Наклепанный металл (пластически деформированный) запасает 5 - 10% энергии, затраченной на деформирование, увеличивается плотность дислокаций и упругие искажения решетки. Пластически деформированный металл упрочняется, изменяются его физические свойства: увеличиваются прочностные характеристики, твердость и понижаются пластичность и вязкость.  С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, понижаются магнитная проницаемость, остаточная индукция.

       Неравновесная структура, созданная деформацией у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизация. Рост числа дефектов и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводят к тому, что свободная энергия металла растет, и он приходит в неравновесное состояние. При нагреве происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций, снижение внутренних напряжений. Однако деформация зерен остается, этот процесс называют возвратом металла. При возврате прочность уменьшается, а пластичность несколько увеличивается. Возврат сопровождается изменением границ зерен. С ростом температуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен называется рекристаллизацией. Температура рекристаллизации зависит от температуры плавления металла (0,3 – 0,4 для чистых металлов; 0,5 – 0,6 для сплавов). В сплавах примеси взаимодействуют с дислокациями и ограничивают их подвижность, что затрудняет образование зародышей новых зерен и тормозит рекристаллизацию, поэтому температура рекристаллизации сплавов выше. Последующий рост температуры приводит к стадии собирательной рекристаллизации, состоящей в росте новых зерен. Большое количество мелких зерен имеет больший запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая поверхность их границ уменьшается, что способствует переходу металла в более равновесное состояние. Образование крупных зерен снижает механические свойства.

       Заключительная стадия деформирования материалов – разрушение. На атомном уровне разрушение представляет собой разрыв межатомных связей. Если разрыв происходит перпендикулярно плоскости разрушения, то происходит разрушение сколом или отрывом. Если разрыв идет под действием силы, приложенной параллельно плоскости разрушения, то разрушение происходит сдвигом или скольжением. Может иметь место тот и другой тип разрушения, что определяется главным образом кристаллической структурой металлов. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры, скорости деформации, напряженного состояния, чистоты металла.

       В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительной величине происходит хрупкое разрушение.

       Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным напряжениям. Под действием нормальных напряжений происходит упругая деформация кристаллической решетки, а после достижения предельной степени ее искажения происходит последовательный разрыв межатомных связей с отрывом одной атомной плоскости от другой. Разрушение начинается от какого-либо дефекта, вблизи которого развивается концентрация напряжений, превосходящая теоретическую прочность металла.

       Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45 к направлению главных нормальных напряжений. Чисто сдвиговое вязкое разрушение характерно для аморфных материалов (глина); чисто хрупкое характерно для идеально упругих материалов (алмаз). Большинству реальных материалов одновременно присуще и вязкое и хрупкое разрушение, а разделение условно проводится по преобладанию того или иного типа. Характерными признаками вязкого и хрупкого разрушения являются энергоемкость – величина работы разрушения (для вязкого разрушения значительно больше); вид трещины (острая трещина для хрупкого и большой угол раскрытия для вязкого) и скорость распространения трещины (для хрупкого высокая 0,4 скорости звука в металле, для стали 2 * 10 3 м / с; для вязкой значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений).

        Необходимость квалификации характера разрушений обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, увеличивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

       Один и тот же материал в зависимости от условий деформации может разрушаться по хрупкому или вязкому механизму, что определяется внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относится температура, тип надреза или концентратора напряжений, условия и скорость нагружения форма и размеры детали. К внутренним относится: тип кристаллической решетки, химический состав, структура и размер зерна, зависящие от технологии предварительной обработки. Металлы с ОЦК и некоторые с ГПУ относятся к хладноломким материалам, металлы с ГЦК не склонны к хладноломкости. Измельчение зерна существенно понижает критическую температуру хрупкости. Процесс течения металла зависит от среднего расстояния, на которое перемещаются дислокации, прежде чем они будут заблокированы у границ зерен. У мелкозернистых материалов предел текучести меньше разрушающего напряжения.

6.3. Термическая обработка металлов и сплавов

       Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, и старение, имеются разновидности.

       Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура зависит от состава сплава и разновидности отжига. Разновидности:

n отжиг для снятия напряжений, которые могут вызвать деформацию деталей при эксплуатации или коробление. Детали нагревают, выдерживают (до десятков часов) и медленно охлаждают (20 - 200 ⁰С/ч).

n рекристаллизационный отжиг; нагрев до температуры рекристаллизации, выдержка, скорость охлаждения не имеет большого значения. Цель - понижение прочности и восстановление пластичности, получение заданного размера зерна, в некоторых металлах образование текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали);

n диффузионный отжиг (гомогенизация). В реальных условиях кристаллизация твердых растворов протекает неравновесно (неоднородность состава по объему кристалла). Отжиг уменьшает ликвационную неоднородность твердого раствора за счет диффузионных процессов.

       Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, эвтектоидные реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения, повышения твердости.

       Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

       Обычно сочетание закалки с отпуском или старением позволяет получить улучшенные свойства по сравнению с отожженным состоянием. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения почти не влияют на структуру и свойства сплавов. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение; термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения, может быть искусственное и естественное.

       Принципиальная возможность применения того или иного вида термической обработки может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия основных групп сплавов:

n сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии;

n сплавы с переменной растворимость в твердом состоянии;

n сплавы с эвтектоидным превращением.

       Для сплавов, не имеющих фазовых превращений в твердом состоянии, проводят термическую обработку для снятия остаточных напряжений в отливках, после проката или ковки, в сварных соединениях.  Рекристаллизационный отжиг - понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической структуры, создающей анизотропию свойств и получение заданного размера зерна. Диффузионный отжиг - длительная выдержка при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора.

       Для сплавов с переменной растворимостью в твердом состоянии - упрочняющая термическая обработка стареющих сплавов (на основе алюминия, меди, железа, никеля, титана). Термическая обработка состоит из двух операций - закалки и старения. При закалке нагрев до температуры, обеспечивающей распад вторичных кристаллов; быстрым охлаждением полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и получают однофазный сплав, пересыщенный одним из компонентов  твердый раствор. Он представляет собой неравновесную структуру, с повышенным уровнем свободной энергии, поэтому при некотором повышении температуры (искусственное старение) твердый раствор будет распадаться с образованием выделений (зоны Гинье - Престона с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющей решетку растворителя; кристаллы метастабильной фазы с иной решеткой, чем твердый раствор; стабильной фазы сложной пространственной решетки). Степень упрочнения при старении может быть очень высокой (в дюралюминах временное сопротивление увеличивается в 2 раза, в бериллиевых бронзах в 3 раза). Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры, называют стабилизацией.

       Эвтекдоидное превращение происходит в большинстве сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана. Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов этой группы одинаковы. Для сталей: превращения при нагреве до аустенитного состояния - фазовая перекристаллизация; превращения аустенита при различных степенях переохлаждения; превращения при нагреве закаленных сталей. Основные типы термической обработки сталей:

n отжиг сталей (перекристаллизационный конструкционных сталей; скорость охлаждения 100 - 200 град/час);

n нормализация сталей (отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 - 70 градусов выше Ас₃ сталь охлаждают на спокойном воздухе);

n закалка сталей - получение структуры наивысшей твердости (мартенсит: мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при котором атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомных; растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы; когерентные - соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток; имеет тетрагональную решетку; высокая твердость НРС 60 при содержании углерода больше 0,4%).

n обработка холодом подвергают закаленные легированные стали, для которых температура конца мартенситного превращения значительно ниже 20 - 25 градусов и остается остаточный аустенит, который понижает твердость закаленной стали; температуры от -40 до 196 (температура жидкого азота); измерительные инструменты, детали подшипников качения, цементированные детали из легированных сталей.

n отпуск закаленных сталей - нагрев до температур А₁, происходит распад мартенсита, выделение части углерода; распад остаточного аустенита и карбидное превращение, образуется ферритно-карбидная смесь.(низкий отпуск 120-150; средний 350-450; высокий 500-680); продолжительность от 2 до 15 часов.

Химико-термическая обработка

       Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами. Применяют для повышения твердости, износостойкости, защиты от коррозии. Различают три стадии процесса химико-термической обработки:

n химические реакции в исходной среде (окружающей), в результате которой образуются активные диффундирующие элементы;

n эти элементы адсорбируются насыщаемой поверхностью, концентрируются в поверхностном слое, возникает градиент концентрации;

n диффузионное проникновение элемента вглубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

       Наиболее распространенные в промышленности операции:

n цементация стали - процесс диффузионного насыщения углеродом. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску, увеличивается твердость на поверхности при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, кулачки, распределительные валы). Применяют твердые карбюризаторы (древесный уголь) и газовую среду (метан);

n азотирование стали - процесс насыщения азотом, для повышения износостойкости и предела выносливости (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки). До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению), источник азота - аммиак, длительность процесса до 50 часов при температуре 500 - 600⁰. Для активации применяют ионное азотирование и цементацию в плазме тлеющего разряда, время сокращается в 2 - 3 раза, стальной контейнер - анод, деталь - катод, напряжение до 800В, ионы азота поглощаются поверхностью детали, затем диффузия идет вглубь;

n диффузионное насыщение металлами и неметаллами - жаростойкие покрытия, сопротивление агрессивным средам; алитирование (покрытие алюминием), хромирование и силицирование (насыщение кремнием); подвергают сплавы на железной, никелевой основе.