Методическое пособие по ВК 2016. Методическое пособие Испытания и неразрушающие методы контроля визуально-оптический метод контроля (Сварные соединения и обработанные изделия) Разработал Хатько В. В. 2016 2

27
Рис. 2.8.1.3. Краевые дислокации
Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строения являются так называемые
краевые (линейные) дислокации (рис. 2.8.1.3). Связано, это с образованием в кристаллической решетке по каким-либо причинам лишней полуплоскости атомов, так называемая экстра-плоскость. Край такой
плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой
дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или иную сторону.
В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию (рис. 2.8.1.4).
Рис. 2.8.1.4. Винтовая дислокация
Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра, дефекта до места решетки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям.
Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, когда соседствующий в ней атом переходит в "дырку", оставляя пустым свое старое место. Повышение температуры, тепловой подвижности атомов увеличивает число таких актов и увеличивает число вакансий.
Линейные дефекты не двигаются самопроизвольно и хаотически, как вакансии. Однако достаточно
небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе - линию скольжения С.

28
Следовательно, механические свойства металла зависят от атомно-кристаллической решетки и
важнейшей особенностью является неоднородность механических свойств в различных
направлениях кристаллической решетки, называемой анизотропией.
 Анизотропия – зависимость механических свойств металла от направления.
Все кристаллы анизотропные.
Путем термообработки металлов можно получить свойства, одинаковые во всех плоскостях решетки, а при механическом воздействии (прокате листа) – различные свойства вдоль и поперек.
Анизотропия позволяет изменять магнитные и электрические свойства, полиморфизм, аллотропию.
2.8.2 Металлургические процессы, основная литейная технология.
Кристаллизация металлов.
В чистых металлах при определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при температуре кипения. Температуры перехода зависят от давления, но при
постоянном давлении они вполне определены.
Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе его из
жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, связанные с кристаллизацией, в значительной степени определяют свойства металлов.
Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д.К. Черновым и опытным путем определены критические точки при которых метал приобретает те или иные свойства.
Сущность кристаллизации состоит в следующем: в жидком металле атомы непрерывно движутся, по мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы, которые называют центрами кристаллизации. Далее к центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образование
центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.
Кристалл растет лишь в том направлении, где он соприкасается с жидкостью.
Энергетические условия процесса кристаллизации
В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а, следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.
 Принцип минимума свободной энергии.
При заданной температуре из всех возможных агрегатных состояний вещество будет стремиться перейти в то агрегатное состояние свободная энергия которого минимальна. При высокой температуре энергетически более выгодно жидкое состояние, низких – твердое.
Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц
(атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией (свободная энергия F = U - TS, где U - внутренняя энергия системы; Т - абсолютная температура; S – энтропия - физическая величина, используемая для описания термодинамической системы
).
При температуре, равной t
s
, свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура t s
и есть равновесная или теоретическая
температура кристаллизации.
Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и
сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации (t
k
).

29
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением.
Разность Δt между температурой t s
и температурой t k
, при которой протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения: Δ t = t s
- t k.
При медленном охлаждении степень переохлаждения невелика, и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной. На кривых охлаждения при температурах кристаллизации отмечаются горизонтальные площадки (остановка в падении температуры), образование которых объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает.
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается при их росте. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически относительно правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате растущие кристаллы, имеющие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму, их называют кристаллитами или зернами.
В процессе кристаллизации возникают зародыши разного размера, однако не все они способны к росту.
Минимальный размер зародыша R
k
, способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размеров зародыша.
C увеличением степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается, следовательно, число зародышей, способных к росту, возрастает.
 Скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа
зародышей, возникающих в единицу времени в единице объема и от скорости роста
зародышей.
Чем больше центров кристаллизации (зародышей) и меньше скорость их роста, тем мельче кристалл, выросший из одного зародыша (зерно металла). Величина зерна может меняться в пределах от 0,4 до
0,001 мм. При небольшой степени переохлаждения число зародышей мало и скорость роста велика. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения число зародышей возрастет в большей мере, чем скорость их роста и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
 Чем больше размер зерна, тем ниже пластичность и прочность металла.
Для получения мелкого зерна часто используют процесс модифицирования. При модифицировании в расплавленный металл вводят небольшое количество частиц какого-либо элемента (модификатора), которые, являясь добавочными центрами кристаллизации, способствуют образованию мелкого зерна, практически не изменяя его химического состава, и тем самым способствуют улучшению механических свойств.
Строение металлического слитка
При образовании кристаллов первоначально образуются длинные ветви - так называемые оси первого
порядка (главные оси). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах происходит зарождение и рост перпендикулярных к ним таких же ветвей второго порядка. В свою очередь на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях кристаллизации.

30
Рис. 2.8.2.1 Древовидные кристаллы. Рис. 2.8.2.2. Строение металлического слитка.
Зона III: Высокая скорость охлаждения. Структура – мелкие, равноосные кристаллы.
Зона II: Быстрое охлаждения, большая разность температур. Структура – мелкие кристаллы, растущие на встречу оттоку тепла. Игольчатые (столбчатые) дендриты.
Зона I: Центральная часть слитка. Медленное охлаждения. Структура – крупные равноосные кристаллы.
Чем ближе к центру, тем больше содержание вредных примесей.
Зона IV: Верхняя часть слитка, концентрируется наибольшая часть легких примесей (шлака), газовые пузыри, трещины, раковины и т.д. После изготовления эту часть удаляют.
Разливка в изложницы имеет ряд недостатков. Качество полученных слитков не высокое и их химический состав неодинаков, это характерно для металла, выплавленного в мартеновских, электродуговых и кислородных конверторах.
Крупные слитки следует предварительно обжимать на черновых прокатных станах, а затем на сортовых станах получают требуемый профиль.
Слитки непрерывной разливки стали по качеству значительно превосходят слитки, полученные в изложницах: они плотнее, мелкозернисты, усадочные раковины могут быть только в самом конце разливки, качество поверхности хорошее, слитки не нужно обжимать.
Вторичная кристаллизация, полиморфные (аллотропические) превращения.
В некоторых металлах (железо, олово, титан, кобальт и т.д.) пространственные кристаллические решетки не всегда остаются постоянными, при изменении температур в твердом состоянии возникают новые центры кристаллизации, это приводит к образованию новой кристаллических решетки (или разным полиморфных модификациях), формирование которой происходит с поглощением тепла при нагревании и выделением тепла при охлаждении.

31
Рис. 2.8.2.3 Кривая охлаждения чистого железа.
В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образам, что получается кристаллическая решетка, другого типа.
Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства, металлов принято обозначать буквой α, при более высокой β, а затем γ и т.д. Известны полиморфные превращения Fe α – Fe γ и др.
Полиморфное превращение осуществляется образованием зародышей и последующим их ростом в
результате перехода атомов из старой модификации в новую. Зародыши часто возникают на границах исходных зерен. В результате превращения получаются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму.
Переход металла из одной аллотропической, модификации в другую в условиях равновесия (малой степени переохлаждения) протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла, если превращение протекает при охлаждении, и поглощением тепла в случае нагрева. Поэтому на кривых охлаждения (рис. 2.8.2.3) при температуре полиморфного превращения (несколько ниже t n
) отмечается площадка. В реальных условиях полиморфные превращения протекают лишь при значительном переохлаждении (перегреве) относительно равновесной температуры полиморфного
превращения t
n
.
 Изменение компактности кристаллической решетки при переходе из одной полиморфной
формы в другую влечет за собой изменение объема вещества, и его свойств.
Принципиально важным для железоуглеродистых сплавов является то, что основной компонент – железо существует в двух аллотропических модификациях: объемно-центрированного куба (Fe
α
) и гранецентрированного куба (Fe
γ
). Из кривой охлаждения, чистого железа (рис.6) видно, что Fe
α
существует в двух интервалах температур: ниже 911 0
С и от 1392 до 1539 0
С. Достигнув при охлаждении температуры 1392 0
С, Fe
α
претерпевает аллотропическое превращение, в процессе которого

32 кристаллическая решетка объемно-центрированного куба при постоянной температуре перестраивается в решетку гранецентрированного куба Fe
γ
Второе аллотропическое превращение в процессе охлаждения происходит при температуре 911 0
С, когда Fe
γ
(решетка гранецентрированного куба) перестраивается в объёмно-центрированную кубическую решетку Fe
α.
При температуре 768 0
С, называемой точкой Кюри, железо испытывает магнитное превращение: ниже
768 0
С железо становится магнитным. Магнитное превращение есть особый вид превращения и имеет ряд особенностей, отличающих его от аллотропического превращения.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи
термической обработки, получая необходимую структуру металла.
Русский ученый Чернов Дмитрий Константинович в 1868 году определил критические температуры, при которых происходит изменение фазового состояния и структуры стали при нагреве и охлаждении её в твёрдом виде. Чернов назвал их точками a, b, c и позднее в 1878 году была названа точка d. Открытие и изучение данного вопроса положило начало науке о термической обработке металлов.

Точка А1 (677 0
С)
— точка темно-вишневого каления стали, ее значение по Чернову, состоит в том, что сталь будучи нагрета ниже данной температуры, не принимает закалки, как бы быстро она ни охлаждалась. Ее температурное значение примерно 950K соответствует температуре
эвтектоидного (сплавы, содержащие 0,8% углерода) превращения стали.
 Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температур фазовых
превращений с последующим быстрым охлаждением для получения структурно-
неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением.

Точка d (197
0
С)
— температура до которой нужно быстро охладить сталь чтобы совершилась полная закалка. Приблизительно 470K. Точка d известна теперь как температура мартенситного
превращения при закалке, обозначаемая обычно Mн.
Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом (сталей). После закалки в, стали образуется структура пересыщенного твердого раствора углерода в Fe -железе, которая называется
мартенситом.
Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут идти даже при комнатной температуре и резко ускоряются при нагреве.
 Термическая обработка, представляющая собой нагрев закаленного сплава ниже температур
фазовых превращений для приближения его структуры к структуре более устойчивого
состояния, называется отпуском.
Отпуск является всегда вторичной операцией, проводимой после закалки с полиморфным превращением.
Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А1, называют отпуском.
Различают следующие виды отпуска
перейти в каталог файлов