Процессы, происходящие в наклепанных металлах при нагреве

Эти процессы подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию. Возврат наблюдается при невысоком нагреве. Размер и форма кристаллов при возврате не меняются. В процессе возврата несколько снижаются прочность и растет пластичность металла.

Рекристаллизация – это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные зерна. Рекристаллизация происходит при нагреве металла до достаточно высоких температур. Температура, выше которой процессы рекристаллизации становятся существенными, называется температурой рекристаллизации. Для металлов

,

где для металлов технической чистоты; для твердых растворов; для тугоплавких металлов .

Различают первичную и собирательную рекристаллизацию.

Первичная рекристаллизация состоит из зарождения новых зерен и их последующего постепенного роста.

Особенность собирательной рекристаллизации состоит в том, что рост одних зерен происходит за счет других, вследствие перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела. Одни зерна при этом уменьшаются в размерах и затем исчезают, а другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна.

С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна. Рекристаллизация полностью снимает наклеп; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Восстанавливаются все физические и механические свойства.

 

Лекция 4. Основы теории сплавов

Основные фазы в сплавах

Вещество, полученное сплавлением двух или более исходных простых веществ (компонентов), называется сплавом.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, в которой располагаются атомы других компонентов, изменяя ее размеры (периоды). Образование твердых растворов возможно, если атомные радиусы компонентов различаются не более чем на 15%.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При неограниченной растворимости кристаллическая решетка растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в его кристаллическую решетку (, , , ).

Для образования неограниченных твердых растворов необходимо:

· однотипность кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

· близость атомных радиусов компонентов (они не должны отличаться больше чем на 8%);

· близость их физико-химических свойств.

Твердые растворы с ограниченной растворимостью ( и др.) образуются, если, в частности, атомные радиусы компонентов различаются на . В такой системе повышение концентрации растворенного вещества возможно лишь до определенного предела, при превышении которого твердый раствор распадается и образуется двухфазная смесь.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. Это возможно, если внедряемые атомы имеют малые размеры. Такими атомами являются атомы элементов, находящихся в начале Периодической системы Д.И. Менделеева (, , , ).

Характерными свойствами химических соединений являются:

· новый тип кристаллической решетки, отличный от кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

· постоянство состава, которое отражается формулой химического соединения ;

· постоянство температуры кристаллизации.

Соединения с нормальной валентностью образуют металлы с типичными неметаллами (, , и др.). В сплавах они присутствуют в виде неметаллических включений.

Фазы внедрения – соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Фазы внедрения имеют формулы типа , , , . Фазы внедрения имеют переменный состав, а приведенные выше химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фаза внедрения имеют большое практическое значение, обеспечивая значительное упрочнение металлических сплавов.

Электронные соединения чаще образуются между одновалентными (, , , , ) металлами или металлами переходных групп (, , и др.) с одной стороны и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (, , , , и др.) с другой стороны. Электронные соединения, подобно обычным химическим соединениям, имеют кристаллическую решетку, отличную от решеток образующих элементов. Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.

Механические смеси образуют металлы, значительно отличающиеся атомными объемами и температурой плавления. В подобной системе металлы, образующие сплав, сохраняют кристаллическую решетку в пределах кристаллов исходных компонентов (сплавы , и др.).

Упорядоченными называются твердые растворы, в которых атомы компонентов и расположены не хаотично, как в обычных твердых растворах, а упорядоченно. Образование таких систем (сверхструктур) сопровождается резким изменением свойств сплава – растет прочность, снижается пластичность.

Фазы Лавеса имеют формулу и образуются между компонентами и при отношении их атомных диаметров, равном . Фазы Лавеса могут иметь решетку ГЦК () или ГПУ ().

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния – графическое изображение зависимости температур фазовых превращений в сплавах от их состава.

На рисунке изображена диаграмма состояния двойного сплава. Левая ордината на оси концентраций соответствует содержанию компонента , правая - . В интервале концентраций между чистыми элементами находится твердый раствор сплава , например, состава .

При температурах выше линии ликвидус существует только жидкая фаза. При температурах ниже линии солидус является устойчивым твердый раствор.

Диаграммы состояния строят, как правило, экспериментально. Для этой цели в ходе экспериментов получают кривые охлаждения отдельных сплавов и их перегибы (критические точки) истолковывают как фазовые превращения, имеющие тепловой эффект. Возможен теоретический расчет диаграмм состояния на основе термодинамических данных.

Количественное соотношение фаз в период кристаллизации устанавливают по правилу отрезков. Количество жидкой и твердой фазы в сплаве при температуре и составе составит:

,

.