1.1 Ведение

Предложено рассмотреть эффекты механического воздействия на структуру и макросвойства металлов и проследить всё это с классификацией процессов, используемых для механической работы.

1.2 Эффекты механического воздействия на металлы

В течение процесса изменения формы, которое сопровождает механическое воздействие, объем массы остается постоянным, и увеличение в длине при прокатывании сопровождается уменьшением в толщине.

Металлы состоят из зерен и если они находятся в ненапрягшемся состоянии, эти зерна кажутся уравновешенными (рис. 1.1), и структура будет изотропическая, рис. 1.1.

Поскольку деформация применяется к структуре, состоящей из одного вида непрочных зерен, они станут удлиненными как показано в рис. 1.2. В то же самое время механические свойства становятся направленного действия и структура, и свойства анизотропны. Поведение двойной структуры очень подобно за исключением того, что эти две стадии или типы зерен, ? и ?, вероятно реагируют по-разному на процесс деформации, ? может быть мягок и податлив, в то время как ? может

Рисунок 1.1

Рисунок 1.2

Рисунок 1.3

быть твердым и ломким. ? будет поэтому иметь тенденцию ломаться и появляться как ориентируемые фрагменты или линейны в продольном направлении. Двойная структура будет иметь тенденцию становиться более анизотропной чем структура единственной стадии.;

При очень высокой степени деформации структура кажется волокнистой, потому что зерна были столь удлинены, что теряют индивидуальные характеристики.

Деформация также изменяет механические свойства, в том что, твердость, прочность на растяжение и предел текучести все возрастает до максимума, в то время как податливость падает к очень низкому значению. Жесткость, измеренная Izod или Charpy, увеличивается с воздействием до максимума и затем постепенно уменьшается. Практически найдено, что твердость и прочность большинства металлов отаженных увеличивается от 2,5 до 3 раз в результате холодной обработки.

Все структурные металлы имеют приблизительно ту же самую вязкость как измерено процентом удлинения. Отожженный металл будет иметь приблизительно 35%-ое удлинение, в отличие от металла, который был охлажден на 80 %, будет иметь только приблизительно 2%-ое удлинение перед разрывом на предел текучести.

Рисунок 1.4

Рисунок 1.5

Чем сильнее холодная обработка, тем сильнее анизотропия. Механические воздействия в трех перпендикулярных направлениях, как показано в рис. 1.5, приведут к различным результатам, причем жесткость становится самым важным фактором изменения из-за анизотропии.

Лучшая комбинация свойств обычно проявляется в продольном направлении, и худшая в коротком поперечном направлении.

1.3 Влияние высокой температуры на металлы, обработанные холодным способом

Образец металла, который был обработан в холодном состоянии на 80 %, будет тверд и ломок, зерно будет удлинено и будет значительная степень анизотропии. Если образец нагрет, температура будет достигнута такая, что новые ядра начинают формироваться в смещенных зернах. Это происходит вследствие того, что поставляемая тепловая энергия позволяет атомам распространяться к участкам и формировать устойчивые ядра. Сколько тепловой энергии необходимо, зависит от количества предшествующей холодной обработки, выполненной на металле.

Холодная обработка увеличивает внутреннюю энергию металла, и чем больше холодная обработка, тем выше выходная внутренняя энергия. Это означает, что меньше тепловой энергии требуется чтобы образовать ядро металла обрабатываемого в сильно охлажденном состоянии, чем в слабо охлажденном состоянии. Рисунок 1.6 показывает изменение образования энергии ядра или температуру рекристаллизации с предыдущей холодной обработкой металлов.

Интересная особенность – в том, что минимальный процент от холодной обработки (показанный в рис. 1.6) является необходимым прежде, чем металл повторно не кристаллизуется при нагревании. Это называют Критическим Количеством Холодной Обработки и – составляет приблизительно 5 - 7 % для большинства металлов. Для большинства металлов температура рекристаллизации после того, как произошло охлаждение - приблизительно две трети температуры точки плавления металла в K.

Важно понять механизм образования ядра и факторов, которые управляют числом сформированных ядер. Признано, что образование ядер произойдет в областях с самыми высокими остаточными напряжениями, и они происходят в многократных граничных пересечениях.

В диаграммах рис.1.7, иллюстрируя структуру обработанных металлов, есть пять участков образования ядра после 20% деформации, приблизительно тридцать после 50% и приблизительно шестидесяти после 70%. Фактические числа и норма увеличения с деформацией будут очень большими, потому что отношения имеют тенденцию следовать за показательным законом.

Чем дольше время, когда обработанный образец находится при низкой температуре, тем большее число атомов, которые распространятся к ядрам и займут положения минимальной энергии. Объем вокруг каждого ядра будет расти к видимому размеру и после некоторого времени, дальнейший рост будет предотвращен вмешательством одного объема роста с другим. Эти объемы роста становятся зерном, и зоны образуют трещины искаженного атомного образца - границы зерна. Зерно будет более мягким и намного большим чем обработанное зерно, и атомная ориентация будет случайна между зернами, заменяя обычную принудительную ориентацию в обработанном материале.

Рисунок 1.6

Рисунок 1.7

Каждое ядро росло, чтобы формировать одно зерно, и это дает повторно кристаллизованный размер зерна. Чем больше степень холодной обработки, тем меньше размер рекристаллизованных зерен. Без холодной обработки нет никаких увеличенных центров напряжения, и таким образом никакой рекристаллизации при нагревании. С критическим количеством холодной обработки есть немного ядер, и они растут чрезмерно, чтобы дать очень большое зерно. С тех пор, поскольку холодная обработка увеличивается, то возрастает число участков образования ядер (рис. 1.7) и зерно уменьшается в размере как показано в рис. 1.8.

Если металл поддержан в рекристаллизованной температуре после того, как он полностью повторно кристаллизован, распространение атомов все еще происходит, и некоторые зерна растут за счет других. Это называют Ростом Зерна. Это весьма возможно в индустриальном процессе, что весьма заметное количество роста зерна происходит так, чтобы Заключительный или Отожженный Размер Зерна намного более крупнее чем повторно кристаллизованный размер зерна.

Рост зерна возникает под действием процесса диффузии, и на все такие процессы влияет время и температура. Было замечено, что диффузия - линейная функция времени, но увеличивающаяся температура имеет намного более критический эффект на диффузию, так как норма - показательная функция температуры. Увеличение температуры на 10°C удваивает норму распространения, и если образец нагрет до температуры существенно выше температуры рекристаллизации, рост зерна приведет к грубой структуре. (Рис. 1.9).

Рисунок 1.8

Рисунок 1.9

Заключительный размер зерна после обработки холодом и отжигом очень важен в индустриальных процессах. Если зерна слишком крупные, металл покажет грубую конечную поверхность при механической обработке и эффект "оранжевой кожицы" после нажима. Размер зерна также влияет на прочность. Лучшая структура для дальнейшей работы состоит из маленьких, одинаковых уравновешенных зерен. Самый важный фактор в индустриальном процессе - заключительная температура в печи. Она должна быть по возможности ниже, при обеспечении полной рекристаллизации в адекватное время. Крупный руководящий принцип для индустриального отжига - то, что температура должна быть с тремя границами из точки плавления металла, то есть.

Алюминий 450°C

Медь 800°C