Полиморфные превращения.

Вопрос №29

Кристаллизация металлов
Кристаллизация – это переход металла из жидкого состояния в твердое, кристаллическое. В жидкости не существует дальнего порядка: расстояния между атомами не являются постоянными во всем объеме. В процессе кристаллизации должен установиться этот дальний порядок: во всем объеме металла атомы должны расположиться упорядоченно, образуя кристаллическую решетку.
Процесс кристаллизации может идти самопроизвольно, а может вызываться какими-то искусственными причинами.
Условие самопроизвольной кристаллизации
В термодинамике самопроизвольно идут только те процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы. Свободная энергия как жидкого, так и твердого металла снижается с повышением температуры (рис. 13).

Кривые зависимости ^ F(T) для твердого и жидкого состояния одного и того же металла пересекаются в точке S, которой соответствует температура T_s. При температуре T ₁ < T_s термодинамически устойчиво твердое состояние металла, так как F _тв < F _ж. Значит, при любой температуре ниже T_s будет идти процесс кристаллизации. Если же температура T ₂ > T_s, то, наоборот, устойчиво жидкое состояние металла: F _ж < F _тв. При температуре, превышающей T_s, металл будет плавиться.

В точке ^ S система находится в состоянии равновесия: F _ж = F _тв. Поэтому в объеме металла будут одновременно присутствовать и жидкость, и кристаллы. Кристаллы будут то появляться, то снова плавиться, но до конца не дойдет ни плавление, ни кристаллизация, потому что нет энергетического стимула – разности свободных энергий (рис. 14). Так ведет себя вода при 0 ºC: она остается в виде каши из жидкости и кристаллов льда или снега до тех пор, пока температура не поднимется или не снизится.
Температура T_s, при которой свободная энергия жидкого и твердого состояния одинакова, называется теоретической температурой кристаллизации.

Самопроизвольная кристаллизация начинается только при некотором переохлаждении относительно теоретической температуры кристаллизации.

Разность между теоретической и реальной температурой кристаллизации T_s – T _р = Δ T называется степенью переохлаждения. У чистых металлов степень переохлаждения может достигать сотен градусов, но обычно при изготовлении отливок из металлов технической чистоты и сплавов она не превышает 30-40º.

Закономерности кристаллизации

Полиморфные превращения.

Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах, или в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа

Вопрос

Подготовка руд к плавке

Необходимость подготовки руд к доменной плавке обуславливается стремлением улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей и использовать для получения чугуна сравнительно бедные железные руды.

Чем выше содержание железа в шихте и лучше ее газопроницаемость, тем выше производительность печи, ниже расход кокса и флюсов и лучше качество чугуна. Повышения содержания железа в доменной шихте достигают обогащением железных руд, а улучшения газопроницаемости шихты в доменной печи окуксованием мелких железных руд и концентратов. Расчетами и опытом установлено, что при повышении содержания железа в руде на 1 % производительность печи возрастает на 2,0 2,5 %, а расход кокса снижается на 1,4 2 %.
Дробление
Руда может быть в виде кусков до 1500 мм при открытой добыче и до 300 мм при подземной добыче. Дробление руд применяется как самостоятельная операция для получения кусков руды требуемого размера и как вспомогательная операция при обогащении руд для разрушения механических связей между железосодержащим минералом и пустой породой. В зависимости от крупности руды после дробления различают четыре стадии дробления

1. Крупное (размер кусков после дробления 100-300 мм).

2. Среднее (40-60 мм).

3. Мелкое (8-25 мм).

Процесс дробления характеризуется степенью и эффективностью дробления. Степень дробления определяют отношением максимальных размеров кусков до и после дробления i = D/d,
где i степень дробления; D и d максимальный размер кусков до и после дробления соответственно. Эффективность дробления определяют выходом дробленого материала на единицу израсходованной электроэнергии. Дробление наиболее дорогая операция в системе подготовки руд. Мелкое и тонкое дробление называют измельчением и применяют только для руд, идущих на обогащение. Крупное, среднее и мелкое дробление осуществляют преимущественно в конусных дробилках.

Грохочение
Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду (0-10 мм) для агломерации, а крупную (более 10 мм) сортируют на два класса: доменную (10-30 мм) и мартеновскую (30-80 мм).

При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления. Грохочение руд осуществляется на механических ситах.
Усреднение
Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют непостоянный химический состав. Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния доменной печи и химического состава шлака. Это приводит к нарушению ровного хода печи, при котором неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна.

Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению. Усреднением называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического составов. В связи с тем, что почти все добываемые руды подвергают окуксованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы 0,5 % от среднего значения.
Обогащение
Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей. Все способы обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают

1. концентрат продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла;
2. хвосты отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное количество металла;
3. промежуточный продукт, в котором содержание металла больше, чем в хвостах и меньше, чем в концентрате.

Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95 %. Различают пять основных методов обогащения руд

1. рудоотборка, основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы;
2. промывка, основанная на разной размываемости кусков рудного минерала и пустой породы;
3. гравитационное обогащение разделение в жидкой среде рудных минералов и пустой породы в зависимости от плотности зерен;
4. флотация метод обогащения, основанный на различии физико-механических свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы;
5. магнитная сепарация (самый распространенный метод обогащения), основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

Цель работы: получение навыков проведения механических испытаний образца на растяжение; изучение поведения пластичных и хрупких материалов при растяжении до разрушения. Задачи: построение диаграммы растяжения и диаграммы условных напряжений; определение основных характеристик: предела пропорциональности, предела текучести (условного предела текучести), предела прочности, удельной работы деформации образца, относительного удлинения и относительного сужения; определение марки материала по результатам исследований. Условия проведения испытаний Выбор материалов для изготовления деталей машин, механизмов, приборов, строительных конструкций, инструментов, бытовой техники и пр. определяется совокупностью их механических свойств – конструктивной прочностью. Для определения конструктивной прочности используют два вида оценки: прочностные свойства, определяемые независимо от особенностей изготавливаемых из них изделий и условий их службы; свойства материалов, непосредственно связанные с условием службы изделия и определяющие их долго-вечность и надежность. Одним из методов оценки прочностных свойств, относящихся к первой группе, является испытание материалов на растяжение.

Для испытаний применяют пропорциональные цилиндрические (рис. 1.1, а) или плоские (рис. 1.1, б) образцы. Наиболее распространены цилиндрические образцы, у которых расчетная дли-на в пять раз превышает диаметр (т.н. короткие пятикратные образцы). Для короткого образца между начальной расчетной длиной и площадью поперечного сечения существует зависимость. Для фиксирования начальной длины на образце (еще до проведения испытаний) с помощью керна намечают метки (на рис. 1.1 они изображены в виде точек). 6 Испытания на растяжение производят на специальных испытательных машинах (рис. 1.2) по методике, указанной в ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом их крепления в захватах испытательных машин.

Диаграмма растяжения и ее анализ Суть испытаний заключается в следующем. Образец (рис. 1.1) закрепляют в захватах испытательной машины (рис. 1.2) и растягивают до разрыва, измеряя нагрузку (кгс или Н) и удлинение образца (мм). Графическое представление полученной кривой в координатах называется диаграммой растяже-ния. Типичный вид диаграммы растяжения малоуглеродистой стали изображен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали На диаграмме выделяют несколько характерных участков и точек. Прямолинейный участок OC указывает на пропорциональность между нагрузкой P и удлинением образца?l. Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название – закон Гука. Если образец нагрузить в пределах упрP, а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не об-наружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. 8 Участок CB соответствует равномерной (т.е. по всему объёму материала) пластической деформации, а участок правее точки B – сосредоточенной пластической деформации. При нагружении образца силой превышающей упрP появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое де-формирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклёпом. Выше точки С линия диаграммы растяжения значительно отклоняется от первоначальной прямой линии (деформация начинает расти более интенсивно) и при нагрузке TP (точка Д) на графике может наблюдаться горизонтальный участок (более наглядно показан на рис. 1.4, линия 2). В этой стадии испытания в материале образца пластические деформации распространяются по всему его объёму. Образец получает значительное остаточное удлинение, практически без увеличения нагрузки.

Рис. 1.4. Характерные виды диаграмм растяжения: 1 – сталь легированная; 2 – сталь Ст 3; 3 – чугун; 4 – латунь 1 2 3 4 Площадка текучести 9 Свойство материала деформироваться при практически по-стоянной нагрузке называется текучестью, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести. Во время испытаний на площадке текучести может наблюдаться внезапное падение нагрузки, что объясняется особенностями размножения и перемещения дислокаций в поликристаллических материалах. Материалы, для которых присутствует область текучести, называются вязкими (или пластичными), для которых она практически отсутствует – хрупкими. Характерные диаграммы растяжения для некоторых конструкционных материалов приведены на рис. 1.4. При дальнейшем увеличении нагрузки (выше точки Д, рис. 1.3), претерпев состояние текучести, материал снова приоб-ретает способность сопротивляться растяжению, при этом пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп, все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца (наблюдается т.н. равномерная пластическая деформация). После достижения максимального значения нагрузки maxP в наиболее слабом месте (обычно в средней части образца) появляется мест-ное сужение – шейка (рис. 1.5 и рис. 1.6, а), в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование (т.е. имеет место сосредоточенная пластическая деформация). В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с раз-витием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение метал-ла, нагрузка уменьшается от max P до кP (рис. 1.3) и при нагрузке кP происходит разрушение образца (рис. 1.6). При этом упругая деформация образца упрl? исчезает, а пластическая (остаточная) остl сохраняется (рис. 1.3). Пунктирная наклонная линия на рис. 3 проводится параллельно прямой OC. Таким образом, полная деформация (удлинение) образца полнl складывается из остаточной (пластической) деформации ост l и упругой деформации. В местах разрыва некоторых пластичных материалов (например, алюминия), на одной из частей разрыва может 10 наблюдаться чашка, а на другой конус (рис. 1.7, а). При разрыве хрупких материалов шейка не образуется (рис. 1.6, б и 1.7, б).

Диаграмма условных напряжений. Механические ха-рактеристики материала Ординаты диаграммы растяжений в координатах не являются качественными характеристиками материала, посколь-ку растягивающая образец сила P зависит от площади сечения, а удлинение образца – от его длины. Чтобы исключить влияние размеров образца и получить диаграмму не образца, а самого ма-териала и дать количественную оценку механическим свойствам, диаграмму растяжений, полученную в ходе испытаний (т.н. ма-шинную диаграмму) перестраивают в координатах путём деления абсцисс – на первоначальную фиксированную длину об-разца 0l (мм), а ординат P (Н) на первоначальную площадь сече-ния образца 0A (мм2), т.е.: 0 (1.2) Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений или диаграммой деформаций. С помощью неё можно определить прочностные характеристики материала, к которым относятся: 1) Предел пропорциональности ПЦ? – наибольшее напря-жение, после которого нарушается справедливость закона Гука, где E – модуль продольной упругости. При этом угол наклона к оси абсцисс прямолинейной части диаграммы. Предел пропорциональности (МПа) определяется по форму-ле: – максимальное усилие на диаграмме растяжения (Н), после которого линейная зависимость исчезает. 12 Обычно при практических расчётах для невязких (хрупких) материалов отклонение от закона Гука не учитывают, т.е. криво-линейную часть диаграммы заменяют условной, прямолинейной. При аналитическом способе определения величины с допус-ком 50% необходимо установить значение напряжения, при котором уменьшается на 50% по сравнению с тангенсом угла наклона максимального значения на линейном (упругом) участке. Для этого следует рассчитать тангенс угла наклона линии графи-ка к оси абсцисс на i -ом участке диаграммы:??, (1.4) и проследить за его изменением. Для проверки правильности найденного значения усилия, и соответствующего предела пропорциональности можно воспользоваться графическим способом. Пусть точка K (рис. 1.8) соответствует значению ПЦ P, найденного аналитическим способом. Через точку K параллель-ную оси абсцисс проводят прямую АK, и откладывают на ней отрезок KD, в два раза меньший отрезка. Тан-генс угла наклона прямой OD к оси ординат будет, очевидно, на 50% больше тангенса угла наклона прямолинейного участка диа-граммы растяжения. Поэтому касательная к диаграмме NK, про-веденная параллельно D, должна иметь точку качания, совпа-дающую с точкой K. Если визуальное расхождение является су-щественным, то результаты аналитического способа определения значений необходимо пересмотреть. 2) Предел текучести Т– напряжение, при котором проис-ходит рост деформации без заметного увеличения растягиваю-щей нагрузки. Если на диаграмме условных напряжений присут-ствует явно выраженная площадка текучести (рис. 1.4, линия 2), то предел текучести определяется по формуле: (1.5) 13 Рис. 1.8. Графический способ определения условного предела пропорциональности Если на площадке текучести наблюдается внезапное паде-ние нагрузки, то выделяют, соответственно, верхний BТ. и ниж-ний HТ пределы текучести. Для материалов без чётко выраженного предела текучести (рис. 1.4, линии 1, 3, 4), определяют условный предел текучести 2,0, который соответствует остаточной деформации, равной 0,2%. В этом случае поступают следующим образом. Сначала определяют величину остаточной деформации в виде отрезка: – начальная длина образца до проведения испытаний на растяжение (рис. 1.1). Затем по оси абсцисс, вправо от начала координат, отмеря-ют отрезок равный величине 1OO (рис. 1.9). Через начало коор-динат O и точку К, соответствующую ординате предела пропор-циональности (рис. 1.8), проводят прямую OK. И, наконец, через 14 точку 1O проводят прямую FO1, параллельную прямой OK, где точка F лежит на линии графика диаграммы растяжения. Орди-ната точки F будет соответствовать величине силы 2,0P, по зна-чению которой и определяют условный предел текучести:. (1.7) Рис. 1.9. Графический способ определения условного предела текучести 3) Предел прочности (временное сопротивление) B? – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке ВP (рис. 1.4), предшествующей разрыву образца:. (1.8) Предел прочности на диаграмме соответствует точке, в ко-торой касательная параллельна оси абсцисс. 15 Кроме перечисленных выше характеристик прочности (, при испытании на растяжение определяют также относительное удлинение после разрыва и относительное сужение после разрыва. Относительное удлинение:, первоначальная расчетная длина образца конечная расчетная длина образца. Разность в данном случае можно принять равной ве-личине остаточной деформации:. 5) Относительное сужение:, – начальная площадь поперечного сечения образца; КA – площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва Механические характеристики являются характери-стиками пластичности материала: чем они больше, тем материал пластичнее. Для большинства сталей,. С помощью диаграммы также может быть определена удельная работа деформации при растяжении образца или статическая вязкость (Дж/мм3)1, вычисляемая по формуле:работа, затраченная на разрушение образца – начальный объём расчетной части образца (мм3). Начальный объём определяется по формуле: соответственно площадь поперечного сечения и начальная длина образца (см. рис 1.1). Работа, затраченная на пластическую деформацию пропорциональна площади диаграммы растяжения – площадь диаграммы, см2. Определяется непосредствен-но из построенной диаграммы число полных квадратов (размер одного квадрата 1 см?1 см) – на рисунке выделены серым цветом, число неполных квадратов – на рисунке белым цветом; n – масштаб усилий (Н/см), численно равный величине усилия, соответствующего 1 см дли-ны по оси ординат; m – масштаб удлинений (мм/см), численно равный величине удлинения (мм), соответствующего 1 см длины по оси абсцисс. Линия ME проводится параллельно отрезку OK, который соответствует упругой деформации (см. также рис. 1.3). Как было указано ранее, отрезок ост?l соответствует величине остаточной (пластической) деформации. Удельная работа пластической деформации при испытании образца до разрушения, наряду с характеристиками пластично-сти, используется в качестве показателя, определяющего в какой-то мере вероятность хрупкого разрушения, а также для оценки обрабатываемости материала. Показатель статической вязкости имеет большое значение, например, для определения геометрических параметров пружин. 17 Рис. 1.10. К нахождению работы, затраченной на растяжение