Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов — зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно — самопроизвольная кристаллизация — или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации — несамопроизвольная кристаллизация.
Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.
Экспериментально установлено, что чем больше зародышей в единице объема расплава, тем больше кристаллов образуется, тем они мельче и выше механические свойства металла. По этой причине в сплавах намеренно стараются облегчить формирование зародышей кристаллизации. Вещество, способствующее образованию зародышей, называют модификатором, а саму операцию - модифицированием.
Выделяют два вида модификаторов объемные и поверхностные. Объемные модификаторы создают дополнительные центры кристаллизации. Тугоплавкие металлы в виде мелкодисперсного порошка. Необходимо, чтобы металл имел аналогичные кристаллические решетки и атомные параметры. Для железа модификатор – вольфрам. Поверхностные модификаторы уменьшают скорость роста кристаллов, изменяют поверхностную энергию на границе кристалл-жидкость. Атомы модификатора прилипают к поверхности кристалла, новые кристаллы не растут. В качестве модификатора используются неметаллы с малой атомной массой. Для железа модификатор – бор. Модификаторы позволяют улучшить структуру металла и управлять размерами и формой кристаллов.
Модифицирование направлено на решение ряда задач:
· измельчение макрозерна;
· измельчение микрозерна (дендритных ячеек);
· измельчение фазовых составляющих эвтектик, перитектик, в т.ч. хрупких и легкоплавких фаз (с изменением их состава путем введения присадок, образующих с этими фазами химические соединения);
· измельчение первичных кристаллов, выпадающих при кристаллизации, в до- или заэвтектических сплавах;
· измельчение формы и изменение размера и распределения неметаллических включений (интерметаллидов, карбидов, графита, оксидов, сульфидов, оксисульфидов, нитридов, фосфидов).
9) Упругая и пластическая деформация. Горячая и холодная пластическая деформация. Механизмы пластической деформации.
Деформациейназывается изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.
При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.
Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рисунок 5).
Рисунок 5 – Диаграмма зависимости деформации металла ε
от действующих напряжений σ
Зависимость между упругой деформацией ε и напряжением σ выражается законом Гука
где Е – модуль упругости.
Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рассматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле.
Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая обработка или другие способы изменения структуры не изменяют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющее межатомные расстояния, снижает модуль упругости.
Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.
При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рисунок 7)
В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.
Холодной деформацией называют обработку давлением при температурах ниже температуры начала рекристаллизации. При холодной деформации рекристаллизация не происходит. Металл упрочняется, приобретает волокнистое строение. Зерна вытягиваются в направлении действующей силы (образуется текстура деформации).
Горячей деформацией называют обработку давлением при температурах выше температуры начала рекристаллизации. В этом случае одновременно с деформацией происходит рекристаллизация металла: деформированные зерна практически мгновенно заменяются новыми равноосными. Высокая пластичность и низкая твердость и прочность сохраняются в течение всего процесса деформации. Наклепа не происходит.
Например, деформирование свинца при комнатной температуре является горячей деформацией: Трекр = 0,4 (327 + 273) = 240 К, тогда tрекр. = (240 – 273) =
= -33 °С. Для железа деформирование при t = 300-400 °C является холодной обработкой давлением, так как температура начала рекристаллизации железа равна 450 °С.
Чем больше превышение температуры обработки над температурой рекристаллизации, тем легче происходит горячая пластическая деформация металла или сплава. Наилучшей обрабатываемостью давлением обладают сплавы с однородной структурой. Например, доэвтектоидные стали подвергают горячей обработке давлением только в аустенитном состоянии (g-Fe). При более низких температурах гетерогенная структура не обеспечивает однородность деформации (аустенит и феррит различаются по свойствам), что может привести к большим остаточным напряжениям и растрескиванию.
Пластическая деформация твердых тел (ползучесть) может происходить двумя принципиально разными механизмами: дислокационным и диффузионным. Первый механизм реализуется за счёт движения в объёме кристаллов дислокаций и других дефектов решётки и не требует термической активации.
Диффузионный механизм реализуется путем перемещения вакансий и характерен для повышенных температур.
Кроме того в качестве дополнительного механизма выделяется скольжение по границам зерен.
Основными механизмами сдвиговой пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Скольжение-это такое перемещение одной части кристалла относительно другой, при котором кристаллическое строение обеих частей остается неизменным. Скольжение происходит, когда касательное напряжение в плоскости скольжения достигает определенного значения для данного материала - так называемого сопротивления сдвигу. В области сдвига кристаллическая решётка остается такой же, как и в обеих частях кристалла, и каждый атом в этой области перемещается на одинаковые расстояния, составляющие целое число периодов повторяемости решётки. Отполированная поверхность кристалла после деформации скольжением при рассмотрении в оптическом микроскопе оказывается покрытой одной или несколькими системами параллельных тонких линий, называемых линиями скольжения. Эти линии представляют собой ступеньки на поверхности, возникающие в результате сдвига кристалла вдоль плоскости, которая и называется плоскостью скольжения, а направление сдвига в этой области -направлением скольжения. Комбинация данной плоскости и направления скольжения в ней составляет систему скольжения.