Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Основы металловедения неразъемных соединений. Курс лекций.





Основы металловедения неразъемных соединений. Курс лекций.

Введение.

 

Основными процессами, определяющими формирование и свойства сварных соединений, являются металлургические и металловедческие процессы.

Кристаллическое строение сварного соединения, свойства образующихся в нем сплавов, которые определяют свойства самого соединения, полученного различными способами, объясняется законами металловедения.

Большинство способов сварки связаны с нагревом металлов, в том числе и при т/о, в широком диапазоне температур и последующем охлаждении. В зоне сварного соединения протекают сложные структурные…. и фазовые…. изменения, которые определяют прочность, пластичность, вязкость, коррозионную стойкость соединения. Эти явления связаны с диффузионными закономерностями.

Знание этих процессов необходимы для рационального построения технологии сварки и получения высоких свойств сварных соединений.

 

 

Физическое строение и физические свойства металлов:

 

  1. Металлическая связь – связана со строением внешних оболочек атомов металлов. На внешней оболочки атома металла имеются только один или 2 электрона, поэтому их связь не очень сильная и они могут сравнительно легко отделяться от атома.

 

Электропроводность.

Опыты известного нем.физика Карла Виктора Эдуарда Рикке(1845-1915гг) показывали, что при прохождении эл.тока через Аl-Cu-Al длительное время (1 год) следов проникновения Ме в Ме не обнаружено. Атомы не перемещаются- перемещаются свободные электроны.

При наложении внешней разности потенциалов создается упорядоченное движение электронов от – к +. Этим объясняется хорошая проводимость металлов.

Электрическая проводимость(электропроводность, проводимость,удельная проводимость) – способность тела проводить эл.ток, а также физическая величина(сименс),

НЕ ПУТАТЬ! Электронная проводимость-проводимость полупроводника например n-типа.

Теплопроводность.

Теплопроводность – это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела(тел), осуществляемый хаотично движущимися частицами тела(атомами, молекулами, электронами и т.п.)

Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности, численная величина равна количеству теплоты, проходящей через образец толщиной 1м и площадью 1 м2 за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

 

Помимо атомного строения при сварке плавлением или давлением большое значение имеет кристаллическое строение металлов, которое также определяет взаимодействие соединяемых металлов.

Кристаллическое строение металла – это закономерное и однотипное расположение атомов данного элемента, образующие кристаллическую решетку. У металлов рапространениы 3 типа решеток: ОЦК, ГЦК и ГПУ. (рис.2)

 

Плотность.

Физическая величина, измеряемая отношением массы тела к его объему.

 

Твердость.

Способность твердого тела сопротивляться проникновению в него другого тела.

Пластичность.

Способность тела изменять форму под действием внешних сил без разрушения.

Температура плавления.

Способность вещества при нагревании изменять (поглощение удельной теплоты плавления) внутреннюю энергию системы (увеличивать скорость теплового движения частиц) и разрушать кристаллическую решеткутвердого тела. Основная тепловая энергия идет на уменьшение связей между частицами вещества, но при этом возрастает энергия взаимодействия между частицами.

Рис. 1Элементарные ячейки ОЦК (а), ГЦК (б) и ГП (в) решеток

У некоторых металлов решетка может меняться в зависимости от температуры. Это связано с изменением энергетического состояния атомов при нагреве и охлаждении. Такое свойство металла называется полиморфизм. Например, Fe: ОЦК ---ГЦК; Ti ГЦК ---ГПУ.

Для кристаллических решеток различных металлов характерно различное расстояние между атомами, которые образуют базовую геометрическую фигуру. Эти расстояния называют параметрами решетки.

При сварке разнородных металлов очень важно различия атомно-кристаллического строения соединяемых металлов.

Это означает, что атомы одного металла способны энергетически благоприятно располагаться в решетке другого металла. Признаком такой близости являются параметры решетки и их соответствие, и как следствие близость физических свойств.

 

Несовершенства кристаллической решетки.

Однако реальные металлы всегда имеют несовершенства кристаллической решетки:

Они определяют механические свойства металлов, их способность сопротивляться воздействию внешних сил.

Они возникают в результате смещения или удаления атомов со своих мест в решетке: это вакансии, межузельные атомы, дислокации, границы зерен. Наиболее важным видом несовершенства являются дислокации, которые движутся под воздействием внешних сил

.

Рис.2 Зависимость свободной энергии от температуры для жидкой и кристаллической фазы

Таким образом, чтобы достигнуть полностью жидкого состояния, необходимо перегреть на ∆Тп Металл казалось, теряет свое кристаллическое строение, однако, даже в жидком состоянии сохраняется определенный порядок расположения атомов:-В структуре увеличивается количество вакансий.

-С дальнейшим повышением температуры в расплаве сохраняются группировки закономерно расположенных атомов. Они имеют важное значение для процесса кристаллизации.

–При некотором переохлаждении ниже Т2 они станут естественными или самопроизвольными центрами кристаллизации. Таким образом, условия плавления влияют на процесс последующей кристаллизации и свойства сварного шва.

Влияние неметаллических включений и карбидов на кристаллизацию сплава.Примеси в сплаве могут быть центрами несамопроизвольной кристаллизации.

На практике несамопроизвольную кристаллизацию используют для модификации – измельчения кристаллитов при затвердевании. Однако модифицирующее действие сохраняется только в Ом случае, когда они не растворяются в сварочной ванне. Наибольший интерес в этом случае представляют собой тугоплавкие и труднорастворимые включения.

Например карбиды, нитриды бориды. При быстром нагреве, небольших степенях перегрева, малой продолжительности существования сварочной ванны наиболее тугоплавкие карбиды могут сохраниться.

Большое влияние на кристаллизацию могут оказать неметаллические включения -особенно оксиды, которые попадают из флюсов и электродных покрытий (CaO, MgO, SiO2) или могут быть продуктами раскисления ванны (SiO2, MnO, Al2O3,TiО2), частичками шлака (2FeO*Si02, 2Mno*SiO2, MnS, FeS)и др.

Средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке (ручная автоматическая под флюсом, в защитных газах) составляет 1600-19000С:

наиболее низкая- для дуговых в защитных газах,

наиболее высокая – для автоматической сварки под флюсом.

Температура в ванне под дугой доходит до 23000C, однако продолжительность пребывания ванны при этой температуре крайне мала, что не обеспечивает растворения наиболее тугоплавких примесей.

Продолжительность существования сварочной ванны при различных видах и режимах сварки существенно различается. Для указанных выше видов она составляет не более 1-2 мин и может быть оценена по формуле: td=Ld/vcd

Где td- средняя продолжительность существования сварочной ванны; Ld- длина сварочной ванны; vcd- скорость сварки

Рис. 3. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения

Роль степени переохлаждения при кристаллизации сводится к тому, что в жидком металле увеличивается устойчивость образований атомов, создающих зародыши при самопроизвольном процессе, и, как следствие непосредственно влияет на размер зерна. Размер зерна определяет механические свойства (мельче зерно-материал пластичнее и т.п.)

При этом способность зародыша быть центром кристаллизации является его размер R. Только после достижения Rкр зародыш станет устойчивым и начнет расти, вызывая снижение свободной энергии. При этом критический размер зародыша уменьшается с увеличением степени переохлаждения, что приводит к созданию условий для образования большего числа зародышей.

При маленькой степени переохлаждения- крупное зерно, при увеличении переохладления – более мелкое зерно.

Рассмотренные закономерности касаются естественных центров кристаллизации – зародышей образовавшихся из расплава.

В расплаве сварочной ванны, как мы уже говорили, существуют искусственные центры- различные включения. Наиболее лучшими такого рода частицами служат вещества, кристаллическая решетка которых по типу и параметрам решетки близка к решетке кристаллизующегося металла.

Поскольку искусственные центры уже существуют в жидком металле и на их образование не требуется дополнительных затрат энергии, для кристаллизации на них требуется меньшая степень переохлаждения.

Рассмотренные выше закономерности кристаллизации определяют характер строения сварных швов. Основными элементами являются кристаллиты (дендриты) (рис.4)

Рис. 4Схема роста дендрита (а) и строения слитка: 1- зона мелких кристаллов, 2-зона столбчатых кристаллов, 3- зона равноосных кристаллов.

В реальных условиях металл кристаллизуется в ограниченном пространстве с холодными стенками. В этом случае рост основной оси дендрита будет расти перпендикулярно поверхности кристаллизации.

Подрастающий ствол со временем сам становится элементом отвода тепла и от него в разных местах начинают расти ветви второго, третьего и т.д.порядка с определенной кристаллографической ориентацией.

При столкновении твердых поверхностей постройка кристаллита завершается (рис.4). При наличии многих центров кристаллизации растет много дендритов, их поверхности сталкиваются, мешая дальнейшему росту. Форма кристаллов становится неправильной, а благодаря различной ориентации поликристаллический металл становится более однородным (изотропным).

Химическая однородность.

Одной из основных особенностей дендритного строения литого металла является неоднородность состава по сечению дендрита, т.к. находящиеся составляющие в расплаве имеют разную температуру плавления.

Первые порции кристаллизующегося металла наиболее чистые (содержат меньше примесей). Оси дендритов значительно меньше загрязнены примесными атомами по сравнению с межосными пространствами.

Такое различие в содержании примесей в металле осей дендритов и межосных участков называют дендритной ликвацией. Поскольку процесс перемещения атомов примеси диффузионный и связан со временем, степень дендритной ликвации зависит от скоростей кристаллизации и охлаждения.

В большей степени к ликвации склонны углерод, сера. Фосфор, в меньшей – кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам.

При рассмотрении явлений мы исходили из того, что атом не совершает никаких перемещений, кроме тепловых относительно своего среднего положения. В действительности атомы обладают большой свободой перемещения и могут переходить из одного узла решетки в другой.

Микроструктура сталей

По микроструктуре в отожженном состоянии различают:

а) техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превращение (до 0,025%С);

б) доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8%С);

в) эвтектоидные стали (0,8 %С);

г) заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,14%С).

В отожженном техническом железе микроструктура состоит либо только из равноосных зерен феррита (до 0,006%С), либо из равноосных зерен феррита с пограничными выделениями третичного цементита. Третичный цементит образуется по границам зерен феррита вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите при понижении температуры, и образует разорванную сетку, т.к. количество его невелико.

В отожженных доэвтектоидных сталях две структурные составляющие: избыточный феррит, образующийся в результате полиморфного превращения g ® a, и эвтектоид - перлит, который возникает при эвтектоидном превращении: g 08®a0.025+Fe3C. Избыточный феррит при большом его количестве выделяется в виде равноосных зерен (рисунок 22), при малом количестве - в виде сетки по границам зерен аустенита (рисунок 23).

Перлит имеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных зерен - колоний (рисунок 24). Количественное соотношение феррита и цементита в перлите не зависит от состава стали.

В отожженных заэвтектоидных сталях структурные составляющие - перлит и цементит вторичный. Последний выделяется из аустенита перед эвтектоидной реакцией из-за уменьшения растворимости углерода при понижении температуры. Вторичный цементит выделяется по границам зерен аустенита, образуя сетку (рисунок 25), заполненную колониями перлита, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превращении.

Таким образом, по микроструктуре можно качественно отличить стали с разным содержанием углерода. В таблице 1 приведены данные о фазовых и структурных составляющих сталей.

Таблица 1 - Фазовое состояние и микроструктура отожженных углеродистых сталей

Техническое название сплава % С (по массе) Фазы при 20оС Структурные составляющие при 20оС
Техническое железо 0 - 0,006 0,006-0,025 a, Fe3C Феррит (Ф) Ф+ЦIII
Доэвтектоидная сталь 0,025 - 0,8 a, Fe3C Перлит+ФИЗБ
Эвтектоидная сталь 0,8 a, Fe3C Перлит
Заэвтектоидная сталь 0,8 - 2,14 a, Fe3C Перлит + ЦII

Фазы углеродистой стали сильно отличаются механическими свойствами: феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок. Ясно, что механические свойства стали зависят от свойств фаз, однако существенное влияние оказывает и микроструктура. Свойства отдельных фаз и перлита можно сравнить в таблице 2. Эвтектоидные и заэвтектоидные стали со структурой перлита или перлита с вторичным цементитом обладают повышенной твердостью. Если же сталь подвергнуть специальному отжигу (сфероидизирующий отжиг), выделения вторичного цементита и цементит эвтектоида принимают глобулярную форму (см. рисунок 26), а твердость снижается.

 

Рисунок 21 - Схема микроструктуры технического железа: феррит и третичный цементит по границам зерен Рисунок 22 - Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: зерна избыточного феррита и перлит Рисунок 23 - Схема микроструктуры перлита
Рисунок 24 - Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: сетка избыточного феррита и перлит Рисунок 25 - Схема микроструктуры заэвтектоидной стали: сетка вторичного цементита и перлит Рисунок 26 - Схема микроструктуры заэвтектоидной стали: феррит и зернистый цементит

Таблица 2 - Механические свойства структурных составляющих в углеродистых сталях

Структура (фаза) Механические свойства
  Твердость НВ, МПа s В, МПа d,%
Феррит Цементит Перлит Феррит и зернистый цементит (0,8%С) 800 - 900 7500 - 8200 1900 - 2300 1600 - 1900 190 - 250 830 - 900 650 - 700 40-50 <1 9-12 18-25

Рис.

Участок 1 – металл шва

Участки 2, 3, 4, прилежащие к линии сплавления, образуются в сварных соединениях сталей, претерпевающих перитектическую реакцию, что характерно для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,5%. Для данных участков характерно образование высокотемпературной химической неоднородности, следствием которой может служить снижение технологических и служебных свойств сварных соединений. Одним из существенных факторов, способствующим высокотемпературной химической неоднородностит, является процесс превращении α→ δ при нагреве до 1400оС.

Участок 5. характеризуется крупнозернистой структурой в результате перегрева аустенитных зерен. В низкоуглеродистых и низколегированных сталях при замедленной последующем охлаждении образуется перлитно-ферритная структура пластинчатого типа.

Участок 6. участок нормализации с температурой нагрева в интервале Т рекрист – Ас3. Для этого участка характерна относительно мелкозернистая структура аустенита с повышенной неоднородностью по содержанию углерода и легирующих элементов.

Участок 7. Участок неполной рекристаллизации с максимальной температурой нагрева в интервале Ас3-Ас1, структура стали – аустенитно-ферритная с наличием карбидов. Аустенит характеризуется наибольшей неоднородностью по углероду и элементам замещения. При умеренных скоростях охлаждения из межкритического интервала температур более углеродистая част аустенита превращается по мартенситному механизму, а менее углеродистая – по диффузионному.

Участок 8 – участок отпуска, в котором металл нагревается до температуры Ас1 600оС. Здесь наиболее активно происходят процессы разделения феррита и цементита, коагуляции карбидов.

Следует отметить, что во всех участках ЗТВ процессы структурно-фазовых превращений, и, следовательно, формирования механических свойств сварного соединения в значительной степени зависят от параметров термических циклов сварки и термообработки, химического состава и исходного структурного состояния сталей.

Фазовые превращения в стали при нагреве и охлаждении.

Нагрев стали сопровождается образованием аустенита, а основное превращение – это превращение перлита в аустенит, так как в структуре всех сталей в исходном состоянии присутствует перлит. Превращение идет по реакции Ф+Ц → А.

В доэвтектоидных сталях после исчезновения перлита при нагреве от температуры Ас3 до Ас1 избыточный феррит превращается в аустенит. В заэвтектоидных сталях в этом интервале температур избыточный цементит растворяется в аустените. Выше температур Ас3 идут только процессы гомогенизации и роста зерна аустенита. Рост зерна – самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия). От размера зерна аустенита зависят механические свойства стали, особенно понижается ударная вязкость и пластичность.

При охлаждении аустенит не сохраняется, а претерпевает превращения. При этом в зависимости от скорости охлаждения могут протекать два превращения: аустенита в феррито-карбидную смесь (ФКС) или аустенита в мартенсит. Чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее структура ФКС. Если при охлаждении подавляется диффузионная подвижность атомов, то происходит мартенситное превращение. Такое влияние скорости охлаждении связано с тем, что с увеличением скорости охлаждения аустенит может переохлаждаться до более низких температур. Чем больше скорость переохлаждения, тем больше степень переохлаждения, меньше диффузионная подвижность атомов железа и углерода и ниже действительная температура превращения аустенита. Таким образом, важнейшим фактором, влияющим на механизм и кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении, а также на строение и свойства получающихся продуктов превращения, является степень переохлаждения аустенита.

Аналогичная зависимость характерна при изотермическом охлаждении. Каждой действительной температуре изотермической выдержки соответствует определенное время начала и конца превращения. Диаграммы изотермического превращения аустенита для всех сталей приведены в справочниках и с их помощью можно прогнозировать структуру и твердость после конкретного режима охлаждения.

 

Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (показать структуры и скорости охлаждения).

ФКС в зависимости от температуры нагрева и времени изотермической выдержки имеет следующую структуру:

Перлит (межпластинчатое расстояние 0,5-0,7 мкм);

Сорбит (межпластинчатое расстояние 0,3-0,4 мкм);

Тростит (межпластинчатое расстояние 0,1-0,2 мкм).

Мартенсит имеет пластинчатую или реечную форму. Промежуточным продуктом может быть бейнит – смесь феррита и дисперсных карбидов, которые можно различить только в электронном микроскопе.

Основы металловедения неразъемных соединений. Курс лекций.

Введение.

 

Основными процессами, определяющими формирование и свойства сварных соединений, являются металлургические и металловедческие процессы.

Кристаллическое строение сварного соединения, свойства образующихся в нем сплавов, которые определяют свойства самого соединения, полученного различными способами, объясняется законами металловедения.

Большинство способов сварки связаны с нагревом металлов, в том числе и при т/о, в широком диапазоне температур и последующем охлаждении. В зоне сварного соединения протекают сложные структурные…. и фазовые…. изменения, которые определяют прочность, пластичность, вязкость, коррозионную стойкость соединения. Эти явления связаны с диффузионными закономерностями.

Знание этих процессов необходимы для рационального построения технологии сварки и получения высоких свойств сварных соединений.

 

 

Физическое строение и физические свойства металлов:

 

  1. Металлическая связь – связана со строением внешних оболочек атомов металлов. На внешней оболочки атома металла имеются только один или 2 электрона, поэтому их связь не очень сильная и они могут сравнительно легко отделяться от атома.

 

Электропроводность.

Опыты известного нем.физика Карла Виктора Эдуарда Рикке(1845-1915гг) показывали, что при прохождении эл.тока через Аl-Cu-Al длительное время (1 год) следов проникновения Ме в Ме не обнаружено. Атомы не перемещаются- перемещаются свободные электроны.

При наложении внешней разности потенциалов создается упорядоченное движение электронов от – к +. Этим объясняется хорошая проводимость металлов.

Электрическая проводимость(электропроводность, проводимость,удельная проводимость) – способность тела проводить эл.ток, а также физическая величина(сименс),

НЕ ПУТАТЬ! Электронная проводимость-проводимость полупроводника например n-типа.

Теплопроводность.

Теплопроводность – это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела(тел), осуществляемый хаотично движущимися частицами тела(атомами, молекулами, электронами и т.п.)

Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности, численная величина равна количеству теплоты, проходящей через образец толщиной 1м и площадью 1 м2 за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

 

Помимо атомного строения при сварке плавлением или давлением большое значение имеет кристаллическое строение металлов, которое также определяет взаимодействие соединяемых металлов.

Кристаллическое строение металла – это закономерное и однотипное расположение атомов данного элемента, образующие кристаллическую решетку. У металлов рапространениы 3 типа решеток: ОЦК, ГЦК и ГПУ. (рис.2)

 

Плотность.

Физическая величина, измеряемая отношением массы тела к его объему.

 

Твердость.

Способность твердого тела сопротивляться проникновению в него другого тела.

Пластичность.

Способность тела изменять форму под действием внешних сил без разрушения.

Температура плавления.

Способность вещества при нагревании изменять (поглощение удельной теплоты плавления) внутреннюю энергию системы (увеличивать скорость теплового движения частиц) и разрушать кристаллическую решеткутвердого тела. Основная тепловая энергия идет на уменьшение связей между частицами вещества, но при этом возрастает энергия взаимодействия между частицами.

Рис. 1Элементарные ячейки ОЦК (а), ГЦК (б) и ГП (в) решеток

У некоторых металлов решетка может меняться в зависимости от температуры. Это связано с изменением энергетического состояния атомов при нагреве и охлаждении. Такое свойство металла называется полиморфизм. Например, Fe: ОЦК ---ГЦК; Ti ГЦК ---ГПУ.

Для кристаллических решеток различных металлов характерно различное расстояние между атомами, которые образуют базовую геометрическую фигуру. Эти расстояния называют параметрами решетки.

При сварке разнородных металлов очень важно различия атомно-кристаллического строения соединяемых металлов.

Это означает, что атомы одного металла способны энергетически благоприятно располагаться в решетке другого металла. Признаком такой близости являются параметры решетки и их соответствие, и как следствие близость физических свойств.

 

Несовершенства кристаллической решетки.

Однако реальные металлы всегда имеют несовершенства кристаллической решетки:

Они определяют механические свойства металлов, их способность сопротивляться воздействию внешних сил.

Они возникают в результате смещения или удаления атомов со своих мест в решетке: это вакансии, межузельные атомы, дислокации, границы зерен. Наиболее важным видом несовершенства являются дислокации, которые движутся под воздействием внешних сил

.







Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.