Условия получения мелкозернистой структуры металла
Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.
Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.
Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.
Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.
Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы,
По механизму воздействия различают:
Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.
Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.
Строение металлического слитка
Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.3.7.
Рис. 3.7. Схема стального слитка
Слиток состоит из трех зон:
мелкокристаллическая корковая зона;
зона столбчатых кристаллов;
внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.
Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.
Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.
Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 3.8). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.
Рис.3.8. Схема дендрита по Чернову Д.К.
Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.
З транскристаллизацией.
Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.
В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка)
Методы исследования металлов: структурные и физические
Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах. Используют несколько методов анализа.
Определение химического состава.
Используются методы количественного анализа.
1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.
Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом.
Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов.
Используются стационарные и переносные стилоскопы.
2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ.
Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.
Изучение структуры.
Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.
1. Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).
Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.
Устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.
2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения.
Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.
Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы с большой разрешающей способностью.
Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04…0,12 ) ·10 -8 см дают возможность различать детали объекта, по своим размерам соответствующе межатомным расстояниям.
Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.
При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.
При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.
Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.
3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.
Физические методы исследования
1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.
При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергииколебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.
Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.
3 .Магнитный анализ.
Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.
Условия получения мелкозернистой структуры
1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.
2. Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.
Особенности строения металлического слитка
1. мелкокристаллическая корковая зона;
2. зона столбчатых кристаллов;
3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.
Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.
Определение химического состава.
Изучение структуры.
Механизм и закономерности кристаллизации металлов. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы, числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения. Методы получения сталей с мелкозернистой структурой.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.03.2020 |
| Размер файла | 587,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра материаловедения и технологии художественных изделий
по дисциплине «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ и технология конструкционных материалов»
на тему «Условия получения мелкозернистой структуры»
Автор: студент гр. ТЭ-18 Баишева Р.А.
1. Механизм и закономерности кристаллизации металлов
2. Методы и условия получения сталей с мелкозернистой структурой
- 3.Сплавы с мелкозернистой структурой
- Заключение
- Список использованной литературы
Литейные технологии отличаются наибольшей эффективностью по сравнению с другими технологиями формообразования, так как позволяют формировать изделия непосредственно из расплава при сравнительно низких затратах энергии, материалов и труда. Уровень развития литейного производства определяется совершенствованием традиционных, разработкой и практическим освоением новых технологий литья на основе использования достижений научно-технического прогресса.
Физическую основу литейных технологий составляет процесс кристаллизации расплава, от характера протекания которого зависит структура, и следовательно, механические свойства литой детали.
Свойства металлов зависят от формы кристаллов, от числа частиц, составляющих отдельные кристаллы, от расстояния между частицами в кристаллах, от взаимного расположения кристаллов. Большое влияние на свойства металлов оказывают также особенности процесса кристаллизации, т. е. явления, сопутствующие переходу металлов из жидкого состояния в твердое.
Перед полным затвердеванием свободный рост кристаллов прекращается, и их форма искажается вследствие взаимного давления. Таким образом, в изломе застывшего металла образуются кристаллы уже неправильной формы, называемые зернами.
- Процесс образования зерен имеет большое практическое значение, так как от расположения зерен, их формы и особенно от их величины зависят свойства металла. Это впервые обнаружил Д.К. Чернов. Он установил, что в местах разрыва артиллерийских орудий сталь имеет крупнозернистое строение и отличается меньшей прочностью по сравнению со сталью, состоящей из мелких зерен.
При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики - центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш - устойчивым.
Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость - кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис.1.
Рис.1. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы
Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.
Механизм кристаллизации представлен на рис.2.
Рис.2. Модель процесса кристаллизации
Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.
Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.3).
Рис. 3. Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения
Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться.
Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.
В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рис. 3).
Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.
Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей? т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста - большая).
При переохлаждении до температуры соответствующей? т.в - мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).
Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.
2. Методы и условия получения сталей с мелкозернистой структурой
Методов получения мелкозернистой структуры сталей (если рассматривать металлургию в общем виде) существует, условно, всего два:-- при плавильном и литейном производстве с помощью введения модификаторов (растворимых поверхностных и нерастворимых внедряемых веществ-центров кристаллизации);-- процесс перекристаллизации в условиях проводимой термической обработки (нормализации или отжига) с последующим контролем величины зерен по ГОСТ 5639-82.При производстве или обработке сталей мелкое зерно необходимо для получения необходимых (заданных технологически) физических и механических свойств. Процесс кристаллизации сталей является процессом неотвратимым (происходит при остывании отливок или нагревании готовых металлических изделий до рассчитываемых температур).
Искусственное уменьшение размеров зерна происходит путем вмешивания в расплав нерастворимых нитридных, сульфидных и оксидных частиц. От количества этих частиц зависит количество образуемых кристаллов в условиях ограниченного объема металла.«Поверхностные» модификаторы являются растворимыми активными веществами, которые действуют методом «от обратного» -- осаждаясь на только сформировавшихся кристаллах предупреждают их дальнейший рост.
Суть отжига и нормализации в нагреве обрабатываемого изделия (или его части) выше температур Ас1, Ас3 (для отжига) и между ними (для нормализации). Но более важными составляющими и необходимыми условиями является выдержка при температуре (время для выдержки берется по таблице или рассчитывается индивидуально в зависимости от габаритов, толщины и конкретной марки стали) и остывание. Остывание может происходить вместе с печью (характерно для легированных сталей 12ХН3А или Х12МФ) или на спокойном воздухе (традиционные конструкционные стали ст40, 40Х, 45 и 40ХН).
Получение мелкозернистой структуры зависит еще и от методики нагрева (электричество или газ), при этом надо понимать, что оба варианта частично «выжигают» примеси, поэтому все работы происходят под постоянным контролем с отбором образцов и их экспресс-анализом.
В качестве справочной информации: снижению величины зерен способствуют - карбиды титана, молибдена и вольфрама. Катализируют рост зерен в отливках: марганец и фосфор.
В производстве черных и цветных металлов широко практикуется искусственное изменение размера и формы зерен введением в расплавленный металл нерастворимых веществ. Этот способ называется модифицированием.
Благодаря модифицированию металла зерна получаются более мелкими и приобретают несколько иную форму, чем в металле, не подвергаемом модифицированию.
Для модифицирования стали применяется порошок окиси алюминия, для модифицирования чугуна - сплавы железа с хромом, железа с кремнием, а также чистый магний и т. д.
По механизму воздействия модификаторы различают:
1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле - выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.
2. Поверхностно -- активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.
Величину и форму зерен металла можно изменить и механическим воздействием на него ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением и другими способами, так называемой пластической деформацией.
В результате пластической деформации металл упрочняется, приобретая наклеп, при этом зерна его размельчаются и принимают форму, напоминающую волокна (рис. 4).
Такое внутреннее строение пластически деформированного металла не является устойчивым и его улучшают нагревом, под влиянием которого возникают новые зерна с недеформированной кристаллической решеткой. Этот процесс называется рекристаллизацией, а температура, при которой начинается образование новых зерен - температурой рекристаллизации.
Рис. 4. Микроструктура: а - кристаллическая структура, б - структура до деформации, в - пластически деформированный металл, г - структура после рекристаллизации
3. Сплавы с мелкозернистой структурой
Литая структура железоуглеродистых и других сплавов оказывает значительное влияние на свойства готовых изделий. Это влияние в наибольшей степени выражено в отливках и заготовках, полученных специальными способами литья и, прежде всего, непрерывными. Высокое качество расплавов -- одно из важнейших условий производства мелкозернистых отливок, получаемых при высоких скоростях охлаждения.
Для получения расплавов при производстве мелкозернистых отливок специальными способами литья использовали преимущественно плавку в вакуумных печах шахтного типа. Перед разливкой проводили глубокую очистку от неметаллических включений и обработку расплава методами физического воздействия. Экспериментальные исследования структуры и свойств сплавов выполнены на образцах и отливках, полученных в металлических формах.
С уменьшением размеров зерна от 120… 150 мкм до 0,5… 15 мкм установлено более высокое повышение относительного удлинения сплавов в отливках по сравнению с изменением предела прочности.
Исследовано также влияние термической и термомеханической обработки на свойства антифрикционных сплавов. Результаты механических испытаний ряда сплавов с мелкозернистой структурой, полученных в металлических формах с интенсивным охлаждением, приведены в табл.1. С уменьшением размеров зерна от 120… 150 мкм до 0,5… 15 мкм установлено более высокое повышение относительного удлинения сплавов в отливках по сравнению с изменением предела прочности.
Более мелкую микроструктуру в сплавах получают специальным микролегированием и термической обработкой. Виды и режимы обработки зависят от природы сплавов. Сверхбыстрое охлаждение способствует переводу, например, медных, цинковых и алюминиевых сплавов в состояние структурной сверхпластичности. Одним из необходимых условий получения высокой пластичности является наличие в отливках сверхмелкого зерна. В таблице приведены составы ряда сверхпластичных цветных сплавов, обладающих ультрамелкозернистой структурой.
Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества –модификаторы,
2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение–50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Просвечивающие микроскопы.Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различаюткосвенныеипрямые методы исследования.
Читайте также: