группа: 303

 Предмет: Техника и технология ручной дуговой сварки(наплавки, резки покрытыми электродами).

Тема урока: Влияние низких температур на технологические свойства металлов.

        Изменения технологических свойств металлов с понижением температур.

Многие элементы современных машин и аппаратов работают в условиях умеренного (до 200 К) и глубокого (до 4 К) охлаждения. Это элементы установок сжижения и разделения газов, системы космических аппаратов, высотных самолетов, детали и узлы транспортных и горных машин, работающих в условиях Крайнего Севера, и др. Применяемые для их изготовления конструкционные материалы должны обеспечивать надежную работу аппаратов, машин и механизмов в заданных температурных условиях.

Высоколегированные стали и сплавы на основе никеля, алюминия, титана, композиционные материалы и пластики получают все большее распространение наряду с применяемыми обычно конструкционными сталями. Чтобы выбрать наиболее подходящий для заданных рабочих условий материал и правильно определить надежность и долговечность изделия, конструктору требуются глубокие знания физической природы процессов, происходящих в материалах при эксплуатации, а также точные данные об изменениях основных характеристик материалов под воздействием внешних условий.

С понижением температуры большинство материалов становится более прочными и износостойкими. При 77 К (температура кипения жидкого азота) предел прочности большинства металлов в 2-5 раз больше, чем при комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается в 8 раз, стекла- в 12 раз. При 4,2 К (температура кипения жидкого гелия) предел прочности меди в 2 раза больше, чем при комнатной температуре, а прессованного алюминия в 6 раз, сталей в 2,5-3 раза.

Уменьшение пластичности и повышение твердости при низких температурах позволяет повысить эффективность механической обработки ряда материалов. При низких температурах улучшаются режущие свойства и повышается стойкость металлорежущего инструмента. Применение холода для термической обработки металлов позволяет стабилизировать размеры прецизионных деталей и получить необходимую структуру.

Однако при низких температурах в материале, особенно под нагрузкой, могут происходить внутренние структурные превращения, в результате чего возрастает опасность внезапного разрушения деталей. Поэтому даже в тех случаях, когда глубокое охлаждение носило временный характер, при последующей работе в условиях нормальных температур следует считаться с возможными остаточными явлениями, а при работе в условиях низких температур необходимо учитывать возможность преждевременного хрупкого разрушения материала в результате уменьшения пластичности.

Одна из причин хрупкого разрушения - мартенситное превращение, сопровождающееся увеличением объема и снижением ударной вязкости. Изменение объема тела сложной формы при локальных выделениях мартенсита сопровождается возникновением дополнительных местных напряжений, часто приводящих к разрушению деталей. В связи с этим целесообразно на заводе-изготовителе подвергать воздействию низких температур все детали и узлы машин, предназначенные для работы в условиях низких температур. После такой обработки в материалах деталей закончатся все процессы структурообразования и можно будет забраковать детали, в которых возникнут при этом дополнительные напряжения. На заводе могут быть разработаны такие конструктивные формы деталей, в которых внутренние напряжения минимальны.

Изменения структуры материала сопровождаются изменением его плотности, а также прочностных, электрических и магнитных характеристик. При обработке холодом стальных деталей можно добиться необходимого изменения указанных характеристик.

В машиностроении широко используется нагрев (тепловая обработка) как средство получения высокопрочного или пластичного структурного состояния сталей и сплавов, а также для снижения остаточных напряжений и для уменьшения структурных отличий основного металла и сварных швов.

Совершенствование техники получения низких температур и опыт использования холодильных установок позволяют применять холод в технологии машиностроения.

Изучение поведения материалов и особенностей их разрушения при низких температурах имеет значение для успешного освоения Крайнего Севера и некоторых других районов страны, где техника работает значительное время года при низких (до 215 К) температурах. Машины и механизмы, не приспособленные для работы в таких условиях, быстро выходят из строя.

Конструирование и производство такого рода техники должно определяться обоснованными рекомендациями по выбору материалов и экспериментально проверенных методов оценки склонности металлов к хрупкому разрушению.

Уменьшить аварийность и повысить долговечность машин и механизмов можно только при условии учета особенностей поведения материалов при низких температурах, правильного подбора материалов для конструкций, несущих значительные силовые нагрузки, проведения испытаний деталей наиболее ответственных узлов и целых механизмов в условиях низких температур, вакуума, тепловых ударов и т. д.

Тепловое состояние тела характеризуется его температурой. Когда температура снижается, термоактивируемые эффекты в кристаллических телах уменьшаются; значительно изменяются основные физические и механические свойства.

Изменение механических свойств металлов и сплавов при снижении температуры зависит от вида кристаллической решетки и несовершенства ее строения, размера зерен, включений атомов легирующих элементов, фазового состава сплавов. На прочность и пластичность кристаллических тел особое влияние оказывают число действующих в кристаллической решетке систем скольжения, количество и распределение примесей, упорядоченность дислокационной структуры.

Исследования механических свойств металлов различного кристаллического строения показывают, что охлаждение их образцов ниже 273 К приводит к повышению предела прочности при растяжении, росту модуля упругости [5, 6]. При сохранении пластичности у металлов и сплавов в условиях низких температур растет работа разрушения при динамических нагрузках и сопротивление разрушению материалов при циклических нагрузках.

Переход металла в хрупкое состояние при охлаждении связан с изменением характеристик пластичности и уменьшением работы разрушения.

Кристаллическое строение металлов с решеткой в форме гранецентрированного куба (ГЦК) допускает развитие значительных пластических деформаций. Число систем скольжения у ГЦК-кристаллов с понижением температуры возрастает, пластическая деформация распределяется равномерно и сопровождается упрочнением; тетрагональные искажения решетки отсутствуют и температурная зависимость напряжений течения ослаблена [7]. Медь, алюминий, серебро, β-никель, свинец, золото, платина и некоторые из их сплавов сохраняют значительную пластичность при весьма низких температурах.

Металлы с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК): α-железо, хром, молибден, тантал и вольфрам - склонны к разрушению без остаточных пластических деформаций. Температура перехода этих материалов в хрупкое состояние изменяется в широких пределах - от нескольких сот градусов для вольфрама до гелиевых температур (около 4 К) для тантала. При охлаждении ОЦК-кристаллов число действующих систем скольжения уменьшается. процента или упорядочению дислокационной субструктуры можно перевести из хрупкого в пластичное состояние. Примером является очищенный с упорядоченной субструктурой высокопластичный хром, температура хрупкости которого может быть ниже 170 К.

У металлов с ГЦК-решеткой отношение напряжений течения при двух уровнях низких температур, например 77 К и 4 К, не зависит от уровня деформаций. Для ряда металлов этой группы (например, алюминия) выполняется закон Коттрелла-Стокса [7, 8].

У металлов с ОЦК-решеткой предел текучести сильно возрастает при криогенных температурах. Последними исследованиями установлена связь дислокационной структуры таких металлов не только с термической компонентой напряжений течения, но и с атермической, зависящей от величины структурной ячейки (величина d в уравнении Холла-Петча). Таким образом, переходная температура для металлов с ОЦК-решеткой определяется не только строением, но и химической чистотой, субструктурой и существенно зависит от стесненности деформаций и напряженного состояния [8, 9].

У металлов с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой пластические деформации ограничены еще при 290 К, так как у них работает в основном одна система скольжения. Чтобы обеспечить хорошую пластичность при низких температурах таких металлов, как титан, цирконий, бериллий, добиваются низкой концентрации в них примесей внедрения, а упрочнение металла достигается образованием твердых растворов замещения.

Изучить:  1. Внутренние структурные превращения внутри металла при низких температурах?

                  2. Учет особенностей поведения материалов при низких температурах.

                  3. Металлы с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК).

                  4. С чем связана повышенная хрупкость металлов при понижении температуры?