Как ведет себя металл при нагреве

Обновлено: 19.05.2024

Чтобы правильно вести процесс ковки, необходимо знать температуру начала и конца ковки каждого металла, каждой марки стали, т. е. знать режимы нагрева .

Режим нагрева металла - это порядок и способ нагрева металла, который обеспечивает температуру и скорость, необходимые для получения заготовок, пригодных для ковки и получения из них качественных поковок.

Температура ковки для различных марок сталей не одинакова и зависит от их химического состава. Чем больше углерода встали, тем ниже температура плавления и ковки .

Температура нагрева металла для ковки имеет очень важное значение, так как может влиять на качество деталей получаемых ковкой, поэтому за ней требуется постоянный контроль. Для этого в кузницах с нагревательными печами используют термопары и различные виды пирометров. При нагреве металла в горнах, как правило, можно приближенно определять температуру нагрева металлов на глаз по следующим цветам каления, при дневном освещении в тени:

Цвет нагретого металла | Температура………….. °С

Темно-коричневый (заметен в темноте)…..530 … 580

Темно-вишнево-красный……………………. 730 … 770

При охлаждении металла цвет каления изменяется в обратной последовательности .

Температура нагрева сталей в начале ковки должна быть ниже их температуры плавления на 150…200°С. При более высокой температуре может наступить явление пережога. Во время ковки металл остывает и ковать его становится затруднительно, а затем и невозможно. Поэтому ковку металла следует заканчивать с температурой на 20 … 30 °С выше допускаемой температуры ковки.

Время нагрева сталей зависит от размеров заготовок и Химического состава. С одной стороны, для уменьшения образования Окалины и увеличения производительности желательно уменьшать время нагрева. С другой, — заготовки больших размеров, а также из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей следует нагревать постепенно и даже ступенчато.

2. Дефекты при нагреве и меры их предупреждения

При нагреве заготовок в них могут появиться следующие дефекты:

- окалинообразование или угар,

- недогрев металла,
- перегревмстальной заготовки,

Окалинообразование или угар получается в результате образования оксидов железа на поверхности заготовки яри ее нагреве. Образование окалины обычно называют угаром металла.

Окалина — это хрупкое и непрочное вещество с содержанием до 30% железа. Угар стали, в результате образования окалины, может достигать 4 … 5% от массы заготовки за один нагрев в горнах и несколько меньше (до 3%) в нагревательных печах. Если учесть, что при ковке заготовку приходится нагревать несколько раз (иногда до шести), то станет ясно, какое большое количество металла идет в отходы в результате угара металла.

Количество образующейся окалины зависит от скорости и температуры нагрева метелла, формы заготовки, химического состава стали, вида топлива, пламени и других факторов.

Обезуглероживание происходит одновременно с окислением железа и выражается в том, что при нагреве стали углерод, содержащийся в ее верхних слоях, выгорает и сталь становится более мягкой. Значит химический состав стали изменится и не будет соответствовать той марке, из которой должна быть изготовлена деталь. При уменьшении содержания углерода уменьшается прочность и твердость стали, ухудшается способность ее закаливаться. Глубина обезуглероженного слоя может достигать 2 … 4 мм, поэтому обезуглероживание опасно и для мелких поковок, имеющих небольшие припуски и для поковок, которые после механической обработки подвергаются закалке. Низкоуглеродистая сталь может не закалиться.

Процесс обезуглероживания начинается при температуре 800 … 850 °С. Интенсивность обезуглероживания зависит от содержания углерода в стали.

Чем больше углерода, тем медленнее идет обезуглероживание .

Недогрев — это такой нагрев металла, при котором заготовка нагрелась неравномерно по сечению или участкам длины. Очевидно, что такую заготовку нельзя вынимать из горна или печи и ковать. Если заготовка с одной стороны имеет белый цвет каления, а с другой еще желтый или красный, то из нее будет затруднительно получить поковку требуемой формы. Недогрев заготовок по толщине нельзя обнаружить по цвету каления. Поэтому необходимо знать расчетную или опытную нормативную величину продолжительности нагрева различных по сечению заготовок и строго ее придерживаться. Недогрев может появляться при плохом тепловом режиме.

Перегрев нельзя обнаружить по внешнему виду нагретой заготовки и даже в процессе ее ковки. Деталь, изготовленная из перегретого металла, быстро ломается, так как перегретый металл имеет крупнозернистую структуру и поэтому не прочен. Сильно перегретая заготовка иногда разрушается уже при ковке — в углах появляются трещины. Для предотвращения перегрева не следует допускать выдержки заготовки в горне или печи при высокой температуре больше, чем рекомендуется расчетами или нормативами.

Пережог является опасным дефектом нагрева металла. Явление пережога объясняется следующим образом. При температуре выше 1250 … 1300 °С зерна металла становятся очень крупными, а связь между ними настолько ослабевает, что начинает проникать кислород и сталь при действии на нее небольших сил разрушается. Пережженную сталь необходимо отправлять на переплавку.

Пережог можно обнаружить по внешнему виду нагреваемого металла. Поверхность металла при пережоге имеет ослепительно белый искрящийся цвет. При передвижении пережженной заготовки от нее отлетают ярко-белые искры.

Трещины и раскалывание поковок являются дефектами нагрева металла. Наиболее часто поковки с такими дефектами получают из легированных и инструментальных сталей вследствие несоблюдения режимов нагрева их и продолжения ковки с температурой ниже температуры окончания ковки.

3. Изменения, происходящие в металлах при нагреве и ковке

Пластичность стали увеличивается при нагреве, т. е. когда в ней начинаются внутренние превращения, состоящие в укрупнении зерен и ослаблении связей между ними. Поэтому прочность стали уменьшается, она становится мягкой и пластичной. Это позволяет с меньшими усилиями деформировать металлы.

Зернистое строение металла изменяется в зависимости от температуры и скорости деформирования его. Соответственно этим воздействием на металл изменяется и прочность его.

Износостойкость стальной заготовки. Чем быстрее будет проходить процесс деформации металла от начала ковки до конца ковки, тем металл будет прочнее, следовательно, ковку горячего металла рекомендуется проводить как можно быстрее и сильными ударами, потому что при ковке сильно нагретого металла слабыми ударами в конце ковки он получается – с крупнозернистым строением и поковка будет не прочной. Если требуется небольшая деформация металла, то перед ковкой его можно нагревать несколько ниже температуры начала ковки, имея в виду, что ковка будет закончена до наступления критической температуры (723 °С).

При продолжении ковки ниже критической температуры зерна пластически деформируются (вытягиваются) и остаются в напряженном состоянии, потому что при низкой температуре они уже не успевают переформироваться в более мелкие зерна. После этого металл утрачивает пластичность и становится более прочным, твердым и хрупким.

Упрочнение металла под действием пластической деформации называется Наклепом или Нагартовкой . Наклеп не желателен, так как при этом, кроме хрупкости, резко уменьшается свойство металла обрабатываться резанием.

Что происходит с металлом при нагреве

Многие металлы и сплавы, нагретые до высокой температуры, становятся пластичными. Железо, сталь, медь, алюминий, магний, латунь, алюминиево-железистая бронза, дюралюмин и некоторые другие металлы и сплавы при нагревании приобретают способность коваться и изменять свою форму без разрушения. Другие металлы и сплавы, например, серый чугун, оловянистая бронза, цинковые сплавы в нагретом состоянии не приобретают способности деформироваться, при ударах и сдавливании становятся хрупкими и разрушаются. Для железа и стали обычно чем выше температура нагрева, тем выше пластичность. Так, например, для стали, нагретой до. 950°, усилие при ковке потребуется в 2,2 раза больше, чем для стали, нагретой до 1200°, а для стали, нагретой до 700°, усилие потребуется в 4,5 раза больше.
Между прочим, улучшение пластичности относится к температурам нагрева выше 600°, т. е. когда в стали начнут происходить внутренние превращения, о чем подробно будет сказано позднее. При нагреве же от комнатной температуры, т. е. от 15° до 600° прочность стали изменяется не одинаково, а именно: до температуры 300° предел прочности углеродистой стали на растяжение увеличивается и только при нагреве выше 300° он начинает уменьшаться. Ho, получая при температуре около 300° повышенный предел прочности, сталь при этих температурах становится хрупкой и приобретает, как говорят, синеломкость.
При температуре, близкой к 600°, предел прочности стали уменьшается очень резко. Так, если взять обычную углеродистую сталь марки 45, то предел ее прочности падает с 60 кг/мм2 при 15° до 25 кг/мм2 при 600°, т. е. больше чем в два раза. При температурах выше 600° уменьшение предела прочности идет медленнее, но все же очень значительно. Так, при температуре 700° сталь марки 45 имеет предел прочности 15 кг/мм2; при 1000°—5,5 кг/мм2; при 1200° — 2,5 кг/мм2; при 1300° — 2,0 кг/мм2. Таким образом, прочность стали, нагретой до температуры 1200—1300°, по сравнению с холодной сталью уменьшается примерно в 25—30 раз.
При нагреве цветных металлов и сплавов наблюдается сходная картина. Разница лишь только в том, что поскольку они имеют температуру плавления более низкую, чем сталь, то все критические температуры их смещаются вниз. Например, при нагреве до 800° прочность меди уменьшается в 6—7 раз, прочность алюминия при нагреве до 600° уменьшается в 30—35 раз.
Таким образом, нагретые металлы становятся в 25—35 раз менее прочными. Следовательно, в нагретом состоянии они требуют примерно во столько же раз меньше усилий и расхода энергии для их деформации.
Если сталь нагревать еще дальше, т. е. до еще более высокой температуры — выше 1300°, то зерна становятся очень крупными и может начаться их быстрое оплавление. Этому часто препятствует сама печь, которая не может дать температуры, необходимой для расплавления стали — более 1400° Когда зерна или кристаллы начинают оплавляться, то в межкристаллическое пространство будет проникать кислород воздуха, образуя там на гранях зерен хрупкую пленку окислов железа. Металл начинает разрушаться вначале на поверхности, а затем разрушения проникают в глубину заготовки. Это и есть пережог стали. Чтобы не допустить пережога, который является неисправимым браком, нужно знать точно, какую наивысшую температуру может дать печь, и следить за тем, чтобы при этой температуре заготовки нагревались в течение только положенного короткого времени.
С изменением структуры изменяются и механические свойства металла. Чем крупнее зерна, тем сталь имеет меньшую прочность и не только за счет собственного металла, а также и за счет меж-кристаллического пространства, в котором расположены различные, менее прочные неметаллические материалы, например, сера и фосфор, которые плавятся при низких температурах. Нагретый металл, с увеличенными кристаллами, легче растянуть, а следовательно, потребуется меньшее усилие и для сжатия.

Окисление металла при нагреве

Железо более, чем многие другие металлы, обладает способностью соединяться с кислородом, который в большом количестве содержится в воздухе. Поэтому на поверхности железных изделий появляется всем известная ржавчина, которая представляет из себя уже не железо, а совсем другое вещество, так называемый гидрат окиси железа, представляющий собой смесь железа с кислородом и водородом.
Особенно интенсивно железо соединяется с кислородом при высокой температуре, т. е. в процессе нагрева заготовок в печи. При этом образуется окалина, и слой ее тем толще, чем выше температура. Так, если мы примем толщину слоя окалины при температуре 900° за единицу, например 0,5 мм, то при 1000° слой окалины будет 1,0 мм — в два раза больше, при 1100° — 1,75 мм, т. е. в три с половиной, а при 1300° — 3,5 мм, т. е. в семь раз больше. Здесь, конечно, имеется в виду нормальная продолжительность нагрева.
Образование окалины обычно называют угаром металла — от слова гореть, сгорать, так как соединение любого вещества с кислородом есть горение. Металл, превращаясь в окалину, фактически сгорает, так как железа в ней содержится не больше 30% (остальное—кислород). Поэтому необходимо вести борьбу с образованием окалины — горением металла, уничтожающим ценный материал — железо.
Угар металла зависит от вида сжигаемого топлива, от способа нагрева и от конструкции печи. Для печей, работающих на мазуте, угар составляет от 2,5 до 4% от веса нагреваемого металла, т. е. на каждую тонну заготовок превращается в окалину от 25 до 40 кг. Окалина, вдавливаясь в тело поковки при ковке и штамповке, оставляет там вмятины. Учитывая это, приходится назначать на размеры поковки увеличенный припуск и превращать часть здорового металла в стружку. Потери металла на увеличенных припусках составляют примерно еще столько же. В масштабе нашей страны все эти потери в сумме выражаются в сотнях тысяч тонн. Вот почему кузнец и нагревальщик должны стремиться так нагревать заготовки, чтобы свести до минимума угар металла.
Для этого существует несколько способов. Одни из них направлены на предотвращение и уменьшение появления окалины, другие на удаление окалины с заготовки и готовой поковки. Чтобы уменьшить угар металла, нужно нагревать его так, чтобы горение топлива в печи происходило без избытка воздуха. Этого добиваются, во-первых, соответствующей регулировкой форсунок или горелок. При регулировке наблюдают за пламенем печи. Если пламя светлое, прозрачное, а при работе на газе — желтоватое, то горение топлива идет с избытком кислорода воздуха, если пламя коптящее, а в газовых печах — голубое, то воздуха недостаточно. Нужно выбрать какое-то среднее положение, так как, например, если работать с недостатком воздуха, то хотя окалины будет меньше, зато температура печи будет невысокая, что скажется на производительности труда. Во-вторых, нужно следить, чтобы в печь попадало поменьше воздуха через окна, щели и другие неплотности в печи. Особенно вреден воздух, подсасывающийся через рабочее окно печи. Он почти не смешивается с печными газами, стелется по поду печи, омывая и окисляя находящийся там металл (фиг. 28). Подсос воздуха, охлаждая металл и подину печи, вызывает, кроме того, неравномерный нагрев заготовок, излишний расход топлива и наросты на подине (окалина, соединившаяся с материалом кирпича).

Кузнецы и нагревальщики не должны допускать неисправностей в дверцах и окнах печи, открывать их при выдаче металла на меньшую высоту. Уменьшить угар металла можно также и путем строгого соблюдения режима нагрева, не допуская чрезмерной и ненужной выдержки заготовок в печи при высоких температурах — выше 900° Если при работе печей на мазуте возможно применить мазут хорошего качества, мало содержащий серы, то это будет способствовать уменьшению акалины, так как присутствие в мазуте серы увеличивает угар.
В настоящее время в технике еще не найдены способы для полного устранения угара металла при нагреве, но известны и широко применяются способы значительного его снижения. Например, при электронагреве угар металла составляет от 0,5 до 1%, т. е. в 5—10 раз меньше. Даже угар металла при газовом нагреве составляет 2—2,5%, т. е. на 25—50% меньше, чем при мазутном. Применение скоростных методов нагрева также способствует уменьшению угара. Все более начинает применяться безокислительный нагрев в печах, наполненных газом, не содержащим кислорода. Применение рекуператоров для подогрева воздуха, идущего к форсункам и к газовым горелкам, также способствует значительному снижению угара, так как повышается температура рабочего пространства печи и ускоряется нагрев заготовок.
Если в цеховых условиях нельзя предотвратить появление окалины, тогда необходимо принять меры к тому, чтобы она не снижала качества готовой поковки образованием вмятин и раковин. Легче всего бороться с окалиной при ковке и штамповке на молотах, ударное действие которых способствует сбиванию окалины. Ее остается только своевременно сдувать сжатым воздухом или паром. При ковке и штамповке на прессах, при штамповке на горизонтально-ковочных и других машинах для удаления окалины с нагретых заготовок приходится применять такие простые средства, как обивку, соскребывание, а также более сложные — гидравлическую очистку в специальных аппаратах водой высокого давления, вибрационную очистку и т. д.
Следует помнить, что окалина всегда быстрее образуется при подогреве заготовок, так как холодный металл имеет окисленную поверхность, предохраняющую его от дальнейшего окисления. По этой же причине при выдаче заготовок из печи не следует торопиться сбивать окалину, так как во время переноса их к молоту или прессу быстро образуется новая пленка окислов. Окалину нужно сбивать непосредственно перед ковкой и штамповкой. До ковки окалину сбивать не следует еще и потому, что она сохраняет тепло и является своего рода «шубой».
Для того чтобы окалина не оставалась на готовой поковке и не изнашивала режущий инструмент при механической обработке, применяют очистку поковок в барабанах, в дробеструйных и дробеметных аппаратах, а также путем травления в кислотах.

Изменение механических характеристик металла при нагреве

Механические свойства металла изменяются в зависимости от его температурного состояния. В процессе сварки металл подвергается нагреву до высоких температур, изменение которых происходит в широких пределах и в сравнительно короткое время.

Механические характеристики металла при высоких температурах нельзя считать полностью исследованными. Более обстоятельно изучены механические свойства металла в области упругих изменений. На фиг. 9 представлено изменение механических характеристик стали в зависимости от температуры при нагреве до 500—600° С [2].

Модуль упругости стали Е при нагревании постепенно понижается, а коэффициент теплового расширения а возрастает. В области температур упругих изменений стали произведение аЕ можем принять постоянным и равным (хЕ = 12 • 10-6 • 2,1 • 106^ = 25 кГ/см2.

Предел прочности стали оь с повышением температуры до 100°С несколько снижается, затем при дальнейшем нагреве повышается и имеет наибольшее значение в области температур 200—300°С. При нагреве от 300 до 500°С предел прочности стали, кроме жароупорной, постепенно понижается. При температуре выше 500°С предел прочности стали резко снижается, принимая при 600°С весьма низкие значения по сравнению с прочностью при обычных температурах.

Пластические свойства стали, характеризуемые относительным удлинением и поперечным сужением при разрыве, неск(элько снижаются в области температур 150—300° С. С увеличением температуры выше 300°С пластические свойства стали возрастают. Такой характер изменения пластических свойств стали показывает, что при большой скорости остывания закрепленного стального элемента его разрыв при температурах 150—300°С весьма вероятен. Этим объясняется целесообразность предварительного подо-

грева стали при сварке до 150—200° С, чтобы замедлить остывание после сварки.

Предел текучести стали ст с повышением температуры до 500° С несколько понижается, а затем при дальнейшем повышении температуры (свыше 500°С) резко падает, доходя почти до нуля при температуре 600°С.

Фиг. 9. Зависимость механических свойств стали от температуры.

В действительности предел текучести стали несколько повышается в области температур 150—300°С, затем постепенно понижается при нагреве до 500° С, а после этого резко падает (фиг. 10, пунктирная кривая). Ввиду малых значений предела текучести стали при температуре 600°С и выше, примем допущение, что предел текучести сталей, кроме жароупорной, при температуре 600° С и выше имеет нулевое значение (фиг. 11). Другими словами, будем считать, что при температуре 600°С и выше сталь находится только в пластическом состоянии, теряя полностью свои упругие свойства.

При охлаждении стали ниже нуля предел прочности и предел текучести повышаются, причем предел текучести приближается к пределу прочности.

При весьма низкой температуре сталь теряет пластические свойства, переходит в хрупкое состояние и становится хладно-

Фиг. 10. Зависимость предела текучести аг стали

1 — схематизированная диаграмма; 2 — действительная диаграмма.

Фиг. 11. Условная зависимость предела текучести стали от температуры:

1 — схематизированная диаграмма; 2 — условная диаграмма.

ломкой. Для каждого металла существует своя критическая температура, выше которой металл способен пластически деформироваться, а при температурах ниже критических металл теряет способность к образованию пластических деформаций и разрушается в виде хрупкого излома. Для стали критическая температура, ниже которой происходит хрупкое разрушение, находится в области — 65—160° С.

Помимо низких температур, на хрупкое разрушение стали большое влияние оказывает концентрация напряжений, вызванная

Фиг. 12. Работа излома стали при разных температурах; а — ненадрезанные образцы; б — надрезанные образцы.

надрезами и неровностями. Хрупкое состояние стали может быть вызвано объемным напряженным состоянием, при котором весьма затруднено образование пластических деформаций.

На фиг. 12 приведены кривые ударной вязкости котельной стали в зависимости от температуры [3]. Кривые А соответствуют результатам испытаний стали, подвергавшейся предварительно нормализации для измельчения зерна, а кривые В соответствуют результатам испытаний крупно-зернистой стали.

Критическая температура ненадрезанных образцов для стали А— 160°С, а для стали В—90°С. При наличии надрезов критическая температура хрупкого разрушения значительно выше и для стали А равна +5° С, а для стали В +45° С (см. фиг. 12).

Процессы, происходящие в металлах и сплавах при нагревании. Динамика изменения механических и теплофизических свойств.

Известно, что все металлы
при нагревании
расширяются,
а при охлаждении
сжимаются.
Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется
коэффициентом линейного расширения.
Таким образом, длина l какой-то детали после нагрева на температуруt°

— коэффициент линейного расширения.

При наблюдении за изменением объема детали используют коэффициент объемного расширения,

который определяется как утроенный коэффициент линейного расширения.

Материалы, имеющие большой коэффициент расширения, применяются в приборостроении для деталей автоматически действующих механизмов. При определенной температуре такие детали, удлиняясь, могут включать либо размыкать электрическую цепь.

Минимальный коэффициент линейного расширения имеет сплав Fe — Ni, называемый инваром.

Его коэффициент расширения в 8 раз меньше железа.

Теплопроводность металлов

Различные детали теплотехнической аппаратуры — радиаторы автомобилей и самолетов, внутренние стенки рабочих камер холодильных установок, стенки котлов и т.д. — должны обладать способностью хорошо проводить тепло.

Детали и инструменты, подвергающиеся в процессе работы местным разогревай, также должны быстро отдавать это тепло, чтобы не (наступало оплавление.

Способность проводить тепло называется теплопроводностью.

Лучшей теплопроводностью обладают чистые металлы, такие, как:

При какой температуре сужается металл

При охлаждении металл сжимается, его объем уменьшается, но удерживается расположенным вокруг металлом, длина и ширина которого не изменялась. Необходимо, чтобы дополнительное утолщение, полученное при растяжении металла, было восстановлено после охлаждения. Но так как металл имеет температуру, не соответствующую максимальной пластичности, то, сжимаясь, он поглощает небольшую часть удлинения окружающего металла.

Усиление осаживания металла осуществляется различными способами:

уменьшением скорости распространения теплоты путем создания кольца вокруг нагретой части металла из мокрой ветоши;

противодействием деформации путем нажатия на металл ручкой молотка или другим предметом около нагретой точки;

выстукиванием границ точки металла, нагретого докрасна, а затем и самой нагретой точки киянкой или рихтовочным молотком.

Наибольшее применение имеет последний способ.

Рассмотрим порядок выполнения технологических операций рихтовки различными способами.

При рихтовке нагреванием и выстукиванием горелку быстро подводят к центру пузыря, прогревают его и горелку отводят, когда разогретое докрасна пятно достигнет диаметра, равного максимум 12 мм.

При нагреве необходимо следить, чтобы металл не начал плавиться. Если нагретое пятно будет большего диаметра, это вызовет гораздо большую усадку, чем надо. Если работа выполняется в одиночку, то горелку откладывают, под лист (почти под дефект) помещают наковаленку. Быстро выстукивают не покрасневший металл вокруг нагретой точки, а затем и нагретую точку, пока металл еще остается темно-красным.

Обработку предпочтительнее вести деревянной киянкой. При рихтовке молотком-гладилкой сила удара должна быть небольшой, чтобы не создать растяжения металла вместо усаживания.

Если пузырь небольшой, то достаточно провести обработку одной точки.

Работу можно считать завершенной только тогда, когда металл остынет до температуры окружающей среды. Для ускорения охлаждения применяют мокрую ветошь или пропитанную водой губку. Если необходимы дополнительные точечные нагревы, то их делают не более двух-трех между каждым охлаждением. Их располагают вокруг центральной точки.

После охлаждения нагретого листа проводят легкую рихтовку прогретого сектора, чтобы выровнять поверхность металла, которая имела до этого деформацию.

Расположение точек усадки зависит от формы пузыря. Если пузырь круглый, то точки располагаются по радиусу. Если пузырь длинный и узкий, то точки нагрева располагают узкими рядами.

Коэффициенты температурного расширения металлов

В таблице представлены значения коэффициента температурного расширения металлов (коэффициент линейного расширения металлов) в зависимости от температуры.
Значения коэффициента температурного расширения металлов даны для следующих металлов: алюминий Al, бериллий Be, висмут Bi, вольфрам W, галлий Ga, железо Fe, золото Au, иридий Ir, кадмий Cd, кобальт Co, магний Mg, марганец Mn, медь Cu, молибден Mo, никель Ni, олово Sn, платина Pt, родий Rh, свинец Pb, серебро Ag, сурьма Sb, титан Ti, хром Cr, цинк Zn.

Коэффициент линейного теплового расширения металлов в таблице приведен со множителем 10 6 . Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 10 6 , это значение составляет 22,8·10 -6 1/град.

Следует отметить, что к металлам с низким коэффициентом расширения относятся такие металлы, как вольфрам, молибден, сурьма, титан и хром. Наименьшее линейное удлинение при нагревании испытывает вольфрам — коэффициент линейного расширения этого металла составляет величину от 4,3·10 -6 при 0°С до 5,8·10 -6 1/град при температуре 2100°С.

Металлом, который максимально хорошо расширяется при нагреве, является цинк — его коэффициент температурного расширения имеет значение от 22·10 -6 до 34·10 -6 1/град. Также хорошо расширяются при нагревании такие металлы, как алюминий, кадмий и магний.

Примечание: температурные коэффициенты линейного расширения сталей (более 300 марок) представлены в этой статье.

Учебные материалы

Около 10…15 % всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем. Остальная часть энергии идет на нагрев металла.

Деформированный металл находится в неравновесном, неустойчивом состоянии, и в нем могут протекать процессы, направленные на достижение устойчивого состояния. Этот переход связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке и снятием напряжений, что в свою очередь определяется возможностью перемещения атомов.

С повышением температуры подвижность атомов увеличивается и начинают развиваться процессы, приводящие металл к равновесному состоянию. По мере нагрева деформированный металл проходит стадии возврата и рекристаллизации, в результате чего изменяются его структура и свойства (рисунок 20).

В области возврата (при нагреве до 0,3 Тпл) происходит повышение структурного совершенства металла в результате уменьшения плотности дефектов строения. При этом не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в оптический микроскоп. Механические свойства металла изменяются незначительно, порядка на 5…7 %.

При низких температурах (ниже 0,2 Тпл) протекает первая стадия возврата — отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования субграниц. При нагреве вакансии поглощаются дислокациями, которые двигаются к границам зерен. Часть дислокаций противоположного знака уничтожается.

Рисунок 20 — Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве

Вторая стадия возврата — полигонизация, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллов на субзерна (полигоны). При нагреве беспорядочно распределенные дислокации одного знака выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к образованию в монокристалле или в зерне поликристалла субзерен (полигонов), свободных от дислокаций и отделенных дислокационными границами (рисунок 21).

Этот процесс протекает обычно при небольших деформациях при температуре (0,25…0.3)Тпл, и им создаются условия для образования в структуре металла зародышей новых зерен.

Рисунок 21 — Схема процесса полигонизации

Стадия первичной рекристаллизации в деформированном металле происходит при его нагреве выше 0,3Тпл. При высоких температурах подвижность атомов возрастает и образуются новые равноосные зерна.

Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется первичной рекристаллизацией.

В деформированном металле на участках с повышенной плотностью дислокаций образуются и растут зародыши. Образуется совершенно новое зерно, по размерам отличающееся от исходного до деформации. Наклеп практически полностью снимается, и свойства приближаются к их исходным значениям.

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурным порогом рекристаллизации.

Температурный порог рекристаллизации (Тр) связан с температурой плавления металла зависимостью А.А.Бочвара:

где Тпл — абсолютная температура плавления, К;

а — коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для металлов высокой чистоты а = 0,1…0,2; для технически чистых металлов а=0,4; для сплавов твердых растворов а = 0,5…0,6.

Для некоторых металлов значение температурного порога рекристаллизации приведено в таблице 2.

Рекристаллизационный отжиг малоуглеродистых сталей проводят при 600…700 0С, латуней и бронз при 560…700 0С, алюминиевых сплавов при 350…450 0С, титановых сплавов при 550…750 0С.

Собирательная рекристаллизация проходит после завершения первичной рекристаллизации в процессе дальнейшего нагрева. Она заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.

Таблица 2 — Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов

Металл	Температура плавления, 0С	Температура рекристаллизации, 0С
Вольфрам	3400	1200
Молибден	2625	900
Железо	1539	450
Медь	1083	200
Алюминий	660	100

Особенность собирательной рекристаллизации состоит в том, что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, ”поедая” их вследствие перехода атомов через границы раздела. Зерна с вогнутыми границами растут за счет зерен с выпуклыми границами (рисунок 22). Атом на вогнутой поверхности имеет большее число соседей и, следовательно, меньшую энергию, по сравнению с атомами на выпуклой поверхности. Малые зерна постепенно исчезают. Собирательная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов и поэтому чаще всего недопустима для наклепанного металла.

Рисунок 22 — Схема роста зерен при собирательной рекристаллизации

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень производительной пластической деформации (рисунок 23).

Величина зерна возрастает с повышением температуры нагрева и времени выдержки. При температурах Т1 и Т2 (выше Тр) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу, а через некоторый отрезок времени t1 и t2, который называется инкубационным.

Рисунок 23 — Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна

Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации, обычно порядка 3…15 %, такую степень деформации называют критической.

Критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизации.

Читайте также: