Что меняет размер зерен в металлах
Оценка размера зерна и возможные трудности
Оценка размера зерна металлов, как и любое другое изучение микроструктуры, является важной задачей, поскольку размер зерна — один из параметров микроструктуры металла, а микроструктура, как известно, определяет свойства. Тем не менее, оценка размера зерна сопровождается некоторыми сложностями, имея представление о которых, мы сможем исключить возможные ошибки при интерпретировании результатов. Вот об этих небольших сложностях я и расскажу далее.
1. Зерна трехмерны, и размеры их в трехмерном пространстве не постоянны.
То есть любой кусок металла, который мы с вами держим в руках или видим в качестве колеса трамвая или еще какой-нибудь детали, строго говоря не является однородным твердым телом, а похож на кукурузный козинак, состоящий из множества мелких (сотые и тысячные доли миллиметра) зерен. Таким образом, когда мы готовим шлиф для проведения металлографического исследования, мы пересекаем пространственное множество зерен подобно тому как режем козинак: секущая плоскость пересечет зерна в различных местах: у какого-то зерна плоскость отрежет самый край, какое-то пересечет посередине и т.д. Таким образом, на поперечном сечении, т.е. в плоскости шлифа, мы будем наблюдать целый ряд размеров.
Многие ученые занимались проблемой формы зерен, в результате чего были предложены пространственные модели с весьма сложными для выговаривания названиями, например, в работе Салтыкова [1] упоминались следующие модели: кубический октаэдр и тетракаиэдрон Р.Вильямса:
Кубический октаэдр (а) и тетракаиэдрон (б) Р.Вильямса
Конечно же, это всего лишь модели, и в природе мы не найдем зерна идеальной геометрической формы, но, в конце концов, человек всегда для того чтобы понять природу, изучал ее на моделях (например, глобус — модель Земли). Как говорил один мой очень хороший преподаватель: “Все модели неправильные, но многие из них полезны”.
Рассмотрим теперь возможные варианты зеренных структур:
2. Зерна в металлах могут иметь различную природу.
Например, у железа и сталей ферритного класса мы можем наблюдать ферритные зерна, а вот у большинства нержавеющих сталей и у сплавов на основе никеля — аустенитные зерна. Необходимо отдавать себе отчет в том, что несмотря на то, что зерна могут быть одинаковой формы, и иметь те же геометрические характеристики, и процесс измерения их остается тем же, природа их может быть различна: в случае ферритных зерен это объемоцентрированная кубическая (ОЦК) решетка, а в случае аустенитных — это гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка. С этим проблем возникнуть не должно, если, конечно, Вам на исследование не дают просто готовый шлиф и говорят “проведите нам исследованные вот этого металла”, не говоря больше ничего (такое тоже, оказывается, бывает).
3. В зернах могут присутствовать двойники.
Двойники — это симметричные переориентировки областей кристалла (см. стр. 30 учебника Гуляева А.П. [2]). Двойники могут образовываться в результате деформации или термической обработки.
В стандартах по оценке размеров зерен даже предусмотрены отдельные шкалы для оценки зеренных структур с двойниками. 
Схематичное изображение двойника (вид сбоку) [2]. Когда мы будем смотреть на него сверху, то увидим полосу внутри зерна, что и представлено на рисунке ниже.
Образцы зеренной структуры: слева — без двойников, справа — с двойниками. Оба образца соответствуют одному размеру зерна [3]
Если мы хотим просто произвести оценку размера зерна, то двойники не принимаем во внимание, но когда перед нами стоит задача установить связь между структурой и свойствами, например, установить зависимость механических свойств от размера зерна, то границы двойников необходимо учитывать, поскольку они подобно обычным границам зерен влияют на свойства (если сильно вдаваться в науку — на движение дислокаций). Таким образом, нужно четко определиться с целями исследования.
4. Зеренной структуры как таковой и вовсе может не быть
К примеру, у современных трубных сталей бейнитного класса нет зеренной структуры: их структура — бейнит. В данном случае может быть оценен только размер предшествующего бейнитному превращению размер аустенитного зерна, который может быть выявлен особым травлением (с помощью водного раствора пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ, к примеру, стирального порошка).
5. Не существует единого метода для оценки размера зерна.
Поэтому необходимо выбирать метод в зависимости от поставленных задач. Существует несколько методов [4]:
О каждом из них я расскажу позже, поэтому, чтобы не пропустить этот момент советую подписаться на обновления блога.
Ссылки:
[1] Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 271 стр. (стр. 6)
[2] Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е издание. М: Металлургия, 1986. 544 с.
[3] ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна
[4] Van Der Voort G. F. Metallography: Principles and Practice, ASM International, 1999. (P. 437)
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Размер зерна и его влияние на свойства материалов (металлов).
Имея подобный вид структуры, можно судить о расположении, форме и величине зерен, составляющих металл, и даже давать количественную оценку размерам зерен, т. е. определять их величину.
Эту величину принято характеризовать обычно средней площадью сечения каждого зерна, поскольку на шлифах наблюдаются всегда только сечения зерен, а не их пространственные размеры.
Полагая в общем случае, что все зерна одинаковы и в среднем могут быть уподоблены шарам (равноосны), для определения их величины измеряют некоторую площадь наблюдаемой структуры F и подсчитывают число N сечений зерен, наблюдаемых на этой площади. Частное от деления ^- будет представлять среднюю величину
зерна, выражаемую чаще всего в квадратных микронах (р.2).
Подробности об измерении зерен в металлах даются в практических руководствах. Следует отметить лишь примерные масштабы для суждения о размерах зерен. Весьма мелкие зерна (м и к р о-скопические, примерно, как изображенные на фиг. 23) имеют размеры порядка нескольких сот квадратных микрон; зерна крупные, макроскопические, можно выражать уже квадратными миллиметрами (10°р-2) и более.
Иногда величину зерен характеризуют средним диаметром, уподобляя их внешнюю форму шару. Размер зерна имеет весьма существенное влияние на свойства металла. В практике уже давно замечено, что крупные зерна большей частью сопровождаются пониженным механическим качеством металла; могут изменяться и прочие свойства, что находит объяснение отчасти в большем или меньшем развитии границ между зернами-кристаллами.
Влияние границ зерен на свойства металла в целом сказывается прежде всего в том, что эти границы являются поверхностями раздела зерен, в которых частицы (атомы) самого металла уже энергетически отличны от атомов, расположенных в решетке внутри зерна. Полагают, что частицы между зернами обладают повышенной энергией, представляющей поверхностную энергию, которая играет большую роль в явлениях, происходящих в различных телах и, в том числе, в металлах и их сплавах.
Таким образом, даже если представить себе абсолютно чистый металл, то и в нем должна существовать прослойка между зернами в циде неопределенно расположенных атомов, которую некоторые рассматривают как аморфную пленку металла и которая может влиять на свойства всего куска металла в целом.
Но помимо таких пленок, состоящих из атомов самого металла, в практически применимых металлах всегда имеются примеси, которые также могут расположиться в промежутках между зернами в виде пленок или включений и оказывать влияние на свойства металла.
Например, если эти пленки непрочны (хрупки), связь между зернами будет ослаблена, и разрушение металла при механическом воздействии произойдет по границам зерен. В этом случае будет наблюдаться межкристаллический излом металла (или интергранулярный).
Может быть и такой случай, когда прослойки между зернами окажутся прочнее самих зерен; тогда разрушение произойдет внутри самих зерен и будет виден в и утрикр металлический излом (или и н т р а г р а н у л я р н ы й).
Таким образом большее или меньшее развитие границ зерен должно оказывать влияние на металл. Так как это развитие границ определяется размерами зерна, то на последние должно быть обращено внимание при исследовании металлов.
Обработка металлов резанием. Формообразование поверхности металлов.
Обработка металлов резанием, технологические процессы обработки металлов путём снятия стружки, осуществляемые режущими инструментами на металлорежущих станках с целью придания деталям заданных форм, размеров и качества поверхностных слоев. Основные виды О. м. р.: точение,строгание, сверление, развёртывание, протягивание, фрезерование и зубофрезерование, шлифование, хонингование и др. Закономерности О. м. р. рассматриваются как результат взаимодействия системы станок — приспособление — инструмент — деталь
Пространственную конструктивную форму любой детали определяет сочетание различных поверхностей. Для облегчения обработки заготовки конструктор стремится использовать следующие геометрические поверхности: плоские, круговые цилиндрические и конические, шаровые, торовые, геликоидные и др. Любая геометрическая поверхность представляет собой совокупность последовательных положений (следов) одной производящей линии, называемой образующей, движущейся по другой производящей линии, называемой направляющей. Например, для образования круговой цилиндрической поверхности необходимо прямую линию (образующую) перемещать по окружноети (направляющей).
При обработке поверхностей на металлорежущих станках образующие и направляющие линии в большинстве случаев являются воображаемыми. Они воспроизводятся во времени комбинацией движений заготовки и инструмента, скорости которых строго согласованы между собой. Движения резания являются также формообразующими движениями. Механическая обработка заготовок деталей машин реализует в основном четыре метода формообразования поверхностей. Рассмотрим их на конкретных примерах.
Получение поверхностей по методу копирования состоит в том, что режущая кромка инструмента является реальной образующей линией 1, форма которой совпадает или обратна той, которая является образующей линией поверхности детали (рис. 48, а). Направляющая линия 2 воспроизводится во времени вращением заготовки. Главное движение здесь является формообразующим. Движение подачи необходимо для того, чтобы получить геометрическую поверхность определенного размера. Метод копирования широко используют при обработке фасонных поверхностей деталей на различных металлорежущих станках.
Образование поверхностей по методу следов состоит в том, что образующая линия 1 является траекторией движения точки (вершины) режущей кромки инструмента, а направляющая линия 2- траекторией движения точки заготовки (рис. 48, б). Здесь движения резания являются формообразующими. Этот метод формообразования поверхностей деталей распространен наиболее широко.
Резцы и их геометрия.
Различают токарные резцы:
проходные – для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей;
расточные – проходные и упорные – для растачивания глухих и сквозных отверстий;
отрезные – для отрезания заготовок;
резьбовые – для нарезания наружных и внутренних резьб;
фасонные – для обработки фасонных поверхностей;
прорезные – для протачивания кольцевых канавок;
галтельные – для обтачивания переходных поверхностей между ступенями валов по радиусу.
Головка резца имеет следующие элементы: переднюю поверхность, задние поверхности, режущие кромки и вершину.
Передней поверхностью называется поверхность резца, по которой сходит стружка.
Задними поверхностями называются поверхности резца, обращенные к обрабатываемой заготовке (главная и вспомогательная).
Режущие кромки образуются пересечением передней и задних поверхностей; их две — главная режущая кромка и вспомогательная.
Главная режущая кромкавыполняет основную работу резания. Она образуется от пересечения передней и главной задней поверхностей.
Вспомогательная режущая кромкаобразуется от (пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей.
Вершина резцаэто место сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок.
Измерение углов осуществляется по отношению к основной плоскости и плоскости резания.
Основной плоскостьюназывается плоскость, параллельная направлениям продольной и поперечной подач. У токарных резцов с призматическим телом за эту плоскость может быть принята нижняя опорная поверхность резца.
Плоскостью резанияназывается плоскость, перпендикулярная к основной и проходящая через режущую кромку резца, по касательной к поверхности резания.
Дата добавления: 2018-05-13 ; просмотров: 3937 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. [2]
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и лластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. На размер зерна оказывают влияние: температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие в нем посторонних лримесей. Влияние этих факторов очень велико. [3]
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. [5]
Размер зерна металла оказывает влияние на пластичность в случае холодного деформирования детали. [6]
Размер зерна металла в большой степени влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. [8]
Размер зерна металла имеет важное значение для предела текучести, сопротивления хрупкому разрушению и для температуры вязко-хрупкого перехода. Измельчение зерна существенно понижает критическую температуру хрупкости. [9]
Размер зерна электроосаждснных металлов в зависимости от природы металла может изменяться в широких пределах. Наиболее мелкокристаллической структурой обладают металлы, которые выделяются из раствора с высоким перенапряжением, что в первую очередь характерно для металлов группы железа. Если взять однотипные, например, сернокислые электролиты, из которых можно получить разные металлы, то размер зерна растет в ряду Со, Fe, Ni, Си. В такой же последовательности уменьшается общее перенапряжение выделения металла. [11]
Изменение размеров зерен металла слабо влияет на скорость-общей коррозии. [13]
Изменение размеров зерен металла слабо влияет на скорость. Однако значительное укрупнение зерна может вызвать опасную интеркристаллитную коррозию. [14]
Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорош-ков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков соответствующего состава позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, а также снижать температуру диффузионной сварки. [15]
Кристаллизация металлов и сплавов. Факторы, влияющие на величину и форму зерна.
Кристаллическое строение металлов, типы кристаллических решеток
Металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ионов, вокруг которых по орбитам вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико. Эти электроны имеют возможность «свободно» перемещаться по всему объѐму металлической кристаллической решетки, связывая как нейтральные атомы, так и положительно заряженные ионы. Наиболее распространены три вида кристаллических решеток металлов.
Отличительной особенностью кристаллических тел является то, что составляющие их атомы расположены в строго определенном порядке и образуют так называемую пространственную кристаллическую решетку.
Тела, в которых атомы расположены хаотически, т. е. в беспорядке, называются аморфными. К ним относятся: клей, пластмассы, стекло и др. От расположения атомов в кристаллической решетке зависят свойства металла. 
В кубической объемноцентрированной решетке расположено девять атомов. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден, ванадий и железо при температуре до 910° С.
В кубической гранецентрированной решетке расположено 14 атомов. Такую решетку имеют: медь, свинец, алюминий, золото, никель и железо при температуре 910—1400° С. В гексагональной плотноупакованной решетке расположено 17 атомов. Такую решетку имеют: магний, цинк, кадмий и другие металлы.
Расстояние между атомами в кристаллической решетке может быть различным по разным направлениям. Поэтому и свойства кристалла по разным направлениям не одинаковы. Такое явление называется анизотропией. Все металлы — тела кристаллические, поэтому они являются телами анизотропными. Тела, у которых свойства во всех направлениях одинаковые, называются изотропными.
Кусок металла, состоящий из множества кристаллов, обладает в среднем свойствами, одинаковыми во всех направлениях, поэтому он называется квазиизотропным (мнимая изотропность).
Анизотропность имеет большое практическое значение. Например, путем ковки, штамповки, прокатки в деталях получают правильную ориентацию кристаллов, в результате чего вдоль и поперек детали достигаются различные механические свойства. С помощью холодной прокатки добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении детали.
Кристаллизация металлов и сплавов. Факторы, влияющие на величину и форму зерна.
Кристаллизация – это переход вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое; заключается в образовании кристаллических зародышей и их росте при достижении расплавом определенной температуры. Процесс кристаллизации сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, и поэтому в процессе охлаждения в начале кристаллизации скорость охлаждения уменьшается. Кристаллизация металлов идет при постоянной температуре. Жидкий металл при охлаждении не испытывает качественных изменений: кривая охлаждения идет плавно. При достижении теоретической температуры кристаллизации на кривые охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Когда закончится процесс кристаллизации, кривая охлаждения снижается опять плавно. В жидком металле происходит непрерывное движение атомов. С понижением температуры движения атомов замедляются. Они начинают сближаться, группироваться, образуя зародыши или центры кристаллизации. Процесс образования этих зародышей идет непрерывно, но наряду с ним происходит и процесс роста образовавшихся кристаллов. При небольшом переохлаждении образуется малое количество крупных кристаллов, при большом — образуется значительное количество мелких кристаллов. Это находит место в практике литейного производства: при литье тонкостенных деталей получается мелкозернистая структура, а при литье деталей с толстыми стенками — крупнозернистая. Кристаллизация сплавов при снижающейся, характер изменения которой (во времени) определяется диаграммой фазового состояния. Процесс кристаллизации сплавов отличается от процесса кристаллизации чистых металлов: у большинства сплавов на кривой охлаждения имеется две горизонтальные площадки, т.е. процесс кристаллизации происходит в интервале температур T1 — T2, где T1 — температура начала кристаллизации и T2—температура конца кристаллизации. Интервал температур с температуры начала до температуры конца кристаллизации называется температурным интервалом кристаллизации. В этом интервале сплав состоит из смеси жидкой и твердой (или твердых) фаз.
Факторы, влияющие на величину зерна. Большинство металлов кристаллизуется с переохлаждением, причем степень переохлаждения у разных металлов различна. Важнейшим фактором, влияющим на величину зерна при кристаллизации, является степень переохлаждения. Степень переохлаждения определяет число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. От числа центров и скорости роста кристаллов зависит величина зерна. При большом числе центров и незначительной скорости роста зерна будут мельче, при малом числе центров и большой скорости роста — крупнее. Если степень переохлаждения невелика, то число центров получается небольшое, а скорость роста кристаллов велика. Поэтому при медленном охлаждении получаются крупные зерна. При большой степени переохлаждения образуется большое число центров, а скорость роста невелика. Следовательно, при быстром охлаждении зерна будут мельче.
На величину зерна влияют также следующие факторы.
1. Высокая температура вызывает рост зерна. Этим объясняется «перегорание» электрических ламп: под действием высокой температуры происходит рост зерен и ослабление связи между ними, что приводит к обрыву нити.
2. Отсутствие внутренних препятствий способствует росту зерен. Если в расплавленный металл ввести мельчайшие частицы, называемые модификаторами, то они, являясь добавочными центрами кристаллизации, будут способствовать получению мелкого зерна и препятствовать росту зерен. Поэтому в стали, выплавленной с добавкой алюминия, не происходит роста зерна до температуры 950°, а введение в расплавленный вольфрам мельчайших частиц окиси тория предохраняет электролампы от «перегорания».
3. Разрушение зерна, например при ковке и штамповке, происходит из-за разрушения оболочки, препятствующей росту зерна. Поэтому для предотвращения роста зерна применяют после ковки и штамповки термическую обработку — например отжиг.
Что меняет размер зерен в металлах
2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен
Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.
В процессе кристаллизации кристаллы приобретают неправильную форму. Их называют зернами. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, которая отличается от ориентировки соседних зерен. Размер зерна металла влияет на его механические свойства. Данные свойства, вязкость и пластичность, значительно выше, если металл имеет мелкое зерно.
Поверхности раздела зерен называются границами зерен, которые могут быть: наклонными при расположении оси вращения в той же плоскости, что и граница; кручеными при перпендикулярно расположенной оси к плоскости. Такой кусок металла является поликристаллом. Границы зерен определяются точками соприкосновения смежных кристаллов. О размерах, структуре и характере строения зерен можно судить по изломам металла.
В поликристаллических материалах размер зерен от 1 до 1000 мкм. Зерна разориентированы, повернуты одни относительно других до десятков градусов. Границы являются основным дефектом в металлах. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не сохраняются неизменными. Нарушение правильности расположения способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри зерен нарушается правильное кристаллическое строение.
Границы субзерен менее нарушены.
Все металлы имеют общие свойства: пластичность, высокую тепло– и электропроводность, специфический металлический блеск, повышают электросопротивление с ростом температуры.
Из жидкого расплава вырастает монокристалл, который представляет собой один кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их используют в лабораториях для изучения свойств какого-либо вещества. Металлы и сплавы, которые получают в самых обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, они имеют поликристаллическое строение.
Изучение строения металлов с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушения укладки атомов в решетке.
Расположение атомов в решетке может быть в форме центрированного куба (б– и в-железо, б-титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба, грани которого центрированы (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в-кобальт) или гексагональны, или в форме ячейки (магний, цинк).
Зерна в поликристаллах не являются монолитными, а состоят из отдельных субзерен, которые повернуты одно относительно другого на малый угол. Субзерно является многогранником, в котором содержится либо незначительное количество дислокаций, либо их совсем нет. Основные характеристики субзерен: тип, расположение, строение, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига.
Границы субзерен и зерен в металлах разделяют на малоугловые и большеугловые. Малоугловые границы наблюдаются между субзернами и имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, находится расположение дислокаций. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же такие металлы, как алюминий, железо подвергаются сильной деформации, то дислокации представлены в виде сложных сплетений: пространств, сетки.
Структура, в которой субзерна разориентированны друг относительно друга на угол 15-300, является блочной или мозаичной.
Плотность дислокаций в металле повышается при увеличении угла разориентации субзерен и уменьшением их величины. Атомы, расположенные на границах зерен, и атомы на поверхности кристалла из-за нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия, имеют более высокую потенциальную энергию, по сравнению с атомами в объеме субзерен. Наличие дислокаций влияет на прочностные качества металлов. По теоретическим подсчетам предел упругости чистых металлов в 1000 раз превышает реальный, а предел упругости стали – в 100 раз.