Атермическое разупрочнение меди

Содержание

  Введение………………………………………………………………………………...2

1. Физическое состояние меди…………………………………………………….3
2. Влияние степени деформации на механические свойства меди……………...6
3. Природа атермического разупрочнения………………………………………12
4. Влияние технологических параметров деформации на развитие ЯАР……..16
5. Стабилизация механических свойств холоднокатаной продукции…………23

Список использованной литературы……………………………………………….25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Медь как металл был  известен человечеству еще с глубокой древности. Первые упоминания о меди относятся к 8-му тысячелетию от нашего времени, когда были обнаружены орудия труда, изготовленные из медных самородков. Еще в середине ХIX века на поверхности земли находили самородки весом до 15 кг[1]. С развитием цивилизации историческая значимость меди оказалась настолько велика, что заняла целую эпоху, обозначенную как «бронзовый век». И в настоящее время трудно сферу человеческой деятельности, где бы не применялась медь или ее сплавы.

Обладая уникальными свойствами, медь использовалась во все более  усложняющихся механизмах и агрегатах, пока в процессе эксплуатации не возникли проблемы с ее обработкой.  Тогда  на рубеже XVIII-XIX веков появились первые научно-исследовательские работы по изучению свойств меди и ее природы как элемента периодической системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Физическое состояние меди

 

Медь металл красного цвета, имеет удельный вес от 8,35 до 8,95 г/см³, в зависимости от количества примесей [2] удельное сопротивление изменяется от 1,68·10^-6 до 1,7·10^-6 Ом·см. Температура плавления составляет 1083 °С, кипения — 2310, теплота плавления 205 — 212 кДж/кг, удельная теплоемкость меди при 20°С — 386 Дж/кг·К. Теплопроводность ее составляет 73,2 % от теплопроводности серебра.

В периодической системе  элементов медь расположена в 1 группе химических элементов, ее атомный вес  — 63,57, атомный объем при 20 °С — 7,103 см³/г·ат. Медь кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке с параметром 3,608 нм.

Атом меди имеет 29 электронов, которые расположены в электронных  оболочках следующим образом: 1s² 2s² р⁶ 3s² р⁶ d¹⁰ 4s¹, т. е. в самом наружном слое имеется только один электрон. В электронной конфигурации атома — 3d-оболочка — содержит 10 электронов и полностью достроена. Медь имеет два стабильных изотопа - Си⁶³ и Си⁶⁵ с относительной распространенностью 30,9 и 69,1 % соответственно. Получены искусственные радиоактивные изотопы меди с массовыми числами 58; 59; 60; 61; 62; 64; 66 и 67 с периодами полураспада от 0,05 до 0,54 мин.

Современная промышленность выпускает марки меди с разным содержанием примесей. Наибольшей чистотой обладают промышленные слитки, полученные в результате вакуумного переплава  катодной меди марки М0 и М00. Большая  степень чистоты достигается  при электронно-лучевой плавке, когда получаются наиболее плотные и качественные отливки. Кроме того, удается удалить ряд примесей: серу, кислород, водород и некоторые другие. Несколько большим количеством газовых примесей отличаются слитки бескислородной меди (М0б), полученные переплавом катодной меди марки М0 в индукционной печи с последующей разливкой непрерывным и полунепрерывным методом. Этот сорт характеризуется высокими технологическими и эксплуатационными свойствами и используется для изготовления ответственных кабельных изделий. Медь марки М0 предназначается для проводников тока и сплавов высокой чистоты; Ml, кроме того, — для изготовления проката и высококачественных бронз; М2 — для высококачественных сплавов на медной основе, обрабатываемых давлением; для литейных целей применяется медь марки МЗ. Для литейных бронз и различных неответственных сплавов применяется медь марки М4.

Считается, что медь в  твердом состоянии изоморфна  и не претерпевает превращений. Тем не менее, имеются сведения, что при определенных температурах некоторые ее свойства изменяются экстремально. Хорошо известно аномальное изменение пластичности, выраженное в провалах пластичности при повышенных температурах, что связано с конденсацией вакансий на границах зерен металла.

По мнению Ф. Чайнса и П. Рея [3], объяснение снижения пластичности меди только за счет образования пористости является слишком упрощенным. Экспериментально доказано, что снижение пластичности и образование пор связаны между собой, однако оба этих эффекта являются результатом коренных изменений, которые происходят в самом металле в процессе пластической деформации и зависят от температуры и скорости деформации.

Существует мнение, что  при разрыве в вакууме монокристаллических образцов высокой чистоты аномалии пластичности не наблюдаются. Однако это не совсем так. При более детальном анализе экспериментальных данных, например, можно заметить образование зон пониженной пластичности при растяжении монокристаллических образцов. Сужение монокристалла меди изменяется от 0,95 при 20 — 50°С до 0,65 при 300°С; наблюдается и аномальное изменение коэффициента термического расширения монокристалла меди в этой области.

Не монотонные изменения  свойств меди связывают с превращениями, свойственными этому металлу по самой его природе. В ранних работах [4-5] предполагалось наличие полиморфных превращений в меди. Коен и Хольдерман [4] обнаружили значительное изменение электропроводности медной проволоки, измеренной при нулевой температуре после длительного нагрева при 100 °С. Электрическая проводимость образца после нагрева при 100 °С в течение 7 дней возросла на 1,5 %.

Авторы [4] определили плотность чистейшей электролитической меди при 25°С и после отжига при 100°С: 8,88 и 8,90 г/см³ соответственно. На основании этого они пришли к выводу, что в температурном интервале 25 — 100°С протекает какое-то превращение. Чтобы определить его температуру точнее, авторы [4] использовали дилатометрический метод и установили наличие превращений в меди вблизи 70 °С.

На существование аллотропического превращения меди указывают и  другие исследователи. В работе [5] отмечено, что медь, восстановленная водородом из оксида при низких температурах, всегда порошковая, в то время как восстановленная при высоких температурах из хлористой меди имеет вид блестящих кристаллов.

В одной из ранних работ [6] при определении теплоемкости было установлено наличие превращений у меди вблизи температур 350, 580 и 700°С и определены величины тепловых эффектов, сопровождающих данные превращения. Эти результаты были подтверждены позднее. Изучение температурного коэффициента электросопротивления меди показало, что кривая изменяет направление вблизи температур 50, 200, 600, 700 и 800 °С. После отжига меди чистотой 99,999% при 950°С в течение 2 ч в вакууме на кривой зависимости электросопротивления от температуры наблюдается минимум вблизи 8К.

М. И. Кочнев [7] на основании анализа данных показал, что большинство «критических» температур меди достаточно четко проявляется у её соединений и сплавов. Этот факт, по мнению автора, дает основание считать, что причиной внезапного изменения их свойств является перестройка структуры электронных оболочек атомов, так как вещественным единством этих материалов является наличие в них атомов меди. Кроме того, особенности изменения многих свойств этого элемента при критических температурах связаны с изменением ее химической активности.

Для подтверждения своих выводов автор [7] определил температурную зависимость электросопротивления меди в широком интервале температур, начиная от 0 до 900 °С через 1 — 2 °С, а в некоторых случаях и через 0,5 °С. Измерения через небольшие промежутки позволили установить ряд температур, при которых направление кривой электросопротивления изменяется. Отмечены следующие особенные температуры для меди: 20; 38,5; 70,5; 308; 385; 407; 548; 578; 705; 800; 883 °С. Вблизи этих точек наблюдается скачкообразное изменение температурного коэффициента электросопротивления, что является доказательством аномального состояния металла при данных температурах.

На аномальное изменение  свойств при нагреве меди обращают внимание многие исследователи. Так, в [8] при 224 °С обнаружен пик внутреннего трения, наличие которого автор объяснил вязким течением по границам зерен. При исследовании влияния пластической деформации растяжением на температурную зависимость внутреннего трения электротехнической меди [9], предварительно отожженной при 850 °С, отмечены три максимума: при 240, 400 и 460 °С. Максимум при 240 °С объясняется действием примесей, а при 400 °С, согласно [9], обусловлен влиянием наклепа и поэтому назван деформационным.

На основе анализа свойств  металлов группы меди и медных сплавов и измерения энергии s-, р- и d-связей сделан вывод о том, что в кристаллической решетке меди смешаны атомы с различными электронными конфигурациями: 1s²2s²p⁶3s²p⁶d¹⁰4s¹ и 1s²2s²p⁶3s²p⁶d¹⁰4s¹p². При комнатной температуре медь содержит 25 % атомов I сорта и 75 % атомов II сорта. Исходя из такого распределения электронов, многие свойства меди объясняются тем, что это переходной металл, образующий d-связи. В частности, он отмечает, что сплавление меди с соседними переходными элементами, вызывает увеличение числа связей с участием d-электронов, повышая точки плавления, кипения и модуль упругости. Сплавление меди с нормальными металлами групп В приводит к уменьшению числа d-связей, понижению точек кипения и плавления и упругих свойств. При увеличении концентрации элементов группы В в меди на границе    β-фазы d-связи разрушаются и электроны перераспределяются с заполнением оболочки. В областях β-, γ- и ε- фаз Юм-Розери медь ведет себя как металл с заполненной оболочкой, т. е. как одноэлектронный. Энгель подробно рассматривает двойные фазовые диаграммы, чтобы показать зависимость между структурой и энергией связи. Правило Энгеля об участии d-электронов в образовании связи применено в работах Бревера .

Рассматривая аномалии валентных  состояний всех элементов, В.К. Григорович [10] отмечает, что медь помимо валентности 1⁺ обнаруживает высшие валентности 2⁺, 3⁺ и 4⁺, причем наиболее прочным соединениям отвечает валентность 2⁺. Заполненные d-оболочки у переходных металлов непрочны и способны к отделению электронов при химических реакциях, в связи с чем медь и золото имеют более высокие валентности (2⁺, 3⁺), чем групповая (1⁺).

Таким образом, из этих работ  следует, что атомы металлической  меди могут находиться в нескольких различных электронных состояниях. Было высказано мнение, что пластические свойства этого металла невозможно объяснить исходя из общепринятой одноэлектронной модели.

Подтверждением рассмотренной  выше точки зрения на медь как на сплав различных изотопов этого  элемента, способного упорядочиваться  и поэтому существенно изменять свои свойства с термической и  термомеханической обработкой, служит американский патент [11] на сплавы изотопов меди для улучшения ее свойств путем регулирования изотопного состава. Авторы [11], проведя критический анализ теорий электронного состояния меди, пришли также к выводу о существовании в меди двух стабильных изотопов Си-63 и Си-65. Специальными методами получили их в натуральном виде, исследовав затем физико-химические свойства. Диски диаметром 0,5 дюйма и толщиной 0,4 дюйма были помещены в герметичный контейнер на четыре месяца в среду с промышленной атмосферой. В течение этого времени диск Си-63 сильно почернел и потерял в весе, а диск Си-65 оставался совершенно блестящим, приближаясь по благородству к золоту. Его теплопроводность приблизилась к теплопроводности серебра. Здесь же приводятся аналогичные данные о существовании двух стабильных изотопов А-107 и А-109.

Обнаружив существеннее отличия  в физико-химических свойствах изотопов Си-63 и Си-65, на основании теоретической  проработки авторы предлагают наиболее оптимальный сплав изотопов меди в соотношении: 90 % Си-65 и 10 % Си-63, отличающийся высокой коррозионной стойкостью, электро- и теплопроводностью. Здесь же приводятся примеры конкретного применения указанного сплава в электротехнических изделиях.

Исходя из этого, можно  предположить, что в природной  меди все положительные свойства: благородный цвет, высокая тепло- и электропроводность, обеспечиваются наличием изотопа Си-65, а за проявление отрицательных свойств — низкая коррозионная стойкость, окисляемость, тепловая хрупкость ответственен изотоп Си-63.

 

 

2.  Влияние степени деформации на механические свойства меди

 

В теории обработки металлов давлением  термин «холодная обработка» ассоциируется  с упрочнением. С увеличением обжатия при холодной прокатке повышаются все показатели прочности, растет сопротивление деформации. Ряд исследователей прочность проката рассматривают как монотонно возрастающую функцию обобщенной пластической деформации. В работе [12] указывается, что в решении проблемы получения материалов с необходимым комплексом свойств особая роль должна принадлежать технологическим процессам, в которых используются активные способы воздействия на структуру и механические свойства обрабатываемого металла. Варьируя режимы холодной прокатки меди, можно получать прокат как в упрочненном, так и разупрочненном состоянии. Наличие тесной корреляционной связи между технологическими параметрами процесса и уровнем деформационного разогрева проката, с одной стороны, а также температурой проката и его механическими свойствами — с другой, позволяет установить некоторые закономерности в формировании механических свойств тонких лент в зависимости от технологии холодной прокатки. Основными параметрами, оказывающими наиболее активное воздействие на изменение температуры и механических характеристик обрабатываемого металла, являются суммарная степень и дробность деформации, скорость прокатки и деформации. Представляется целесообразным проанализировать раздельно роль каждого из этих факторов в формировании механических свойств проката.