Главная | Обратная связь

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

 

Методические указания к лабораторной работе

по курсу "Материаловедение и ТКМ" для студентов специальности 240403.65

«Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

 

 

Астрахань 2010 г.

 

 

УДК 620.22(075.8)

 

 

Автор - Булгаков В.П-.д.т.н., профессор кафедры ТМ

Рецензент – Каратун О.Н.-д.т.н, профессор кафедры ХТНГ

 

 

Булгаков В.П. Пластическая деформация и рекристаллизация/ АГТУ- Астрахань, 2010; 16 с.

В методических указаниях изложены влияние холодной пластической деформации и последующего нагрева на свойства металлов и сплавов, применяемых в химическом машиностроении.

 

 

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании
кафедры ТМ ______________ 2010 г., протокол №

 

 

Рекомендовано к изданию Методсоветом кафедры ХТНГ Химико-технологического факультета _____________ 2010 г. Протокол №

 

Ó Астраханский государственный технический университет

 

 

1. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

 

Изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил называется деформацией. Деформация может быть вызвана внеш­ними силами, либо различными процессами, происходящими внутри (нап­ример, изменением объема при аллотропических превращениях, или пе­репадом температур в металле).

Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе упругой деформации лежат обрати­мые смещения атомов металла от положения равновесия; при пласти­ческой деформации атомы смещаются на расстояния больше размеров кристаллической решетки и не возвращаются в исходное положение после снятия нагрузки.

Пластическая деформация осуществляется по двум механизмам: скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротив­ление сдвигу наименьшее и предполагает наличие дислокаций. Плос­кость скольжения и направления скольжения образуют систему сколь­жения. Скольжение осуществляется до тех пор, пока плотность дисло­каций в системах скольжения не возрастет до критической величины 10¹¹ - 10¹²

см ^-2 и деформация продолжится двойникованием, когда часть кристалла опрокидывается в симметричное положение относи­тельно плоскости двойникования.

Промышленные стали и сплавы имеют поликристаллическую струк­туру. При деформации происходит скольжение и двойникование вдоль направления действия сил. С ростом деформации зерна постепенно вытягиваются по направлению пластического течения металла, образуя

волокнистую структуру. Кроме того при пластической деформации по­является кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации. Характер текстуры зависит от степени дефор­мации, вида деформации (прокатка, волочение и т.д.) и природы ме­талла. Образование текстуры, как и волокнистость, способствует об­разованию анизотропии механических и физических свойств.

В результате холодной пластической деформации меняются свойства металла: увеличиваются прочностные характеристики- твердость (НВ), предел прочности или временное сопротивление ( s_в), условный предел текучести (s₀,₂),предел упругости (s_уп),;понижается -пластичность и вязкость- относительное удлинение (d %), сужение (j %), ударная вязкость (KCU).

Пластическая деформация упрочняет все материалы кристалли­ческого строения и является единственным способом повышения проч­ности тех металлов и сплавов, которые не имеют аллотропических превращений и не поддаются закалке (например, медь, алюминий, брон­за).

С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления, а относительное удлинение стре­мится к нулю.

 

 

 

Рис.1 Изменение микроструктуры металла после холодной пластической деформации

 

 

 

 

Рис. 2 Влияние степени пластической деформации на механические свойства бронзы БрОС-4-3.

 

 

Такое состояние называется предельным, дальнейшая деформация приводит к разрушению металла. Изменение свойств металла при хо­лодной пластической деформации называется наклепом. Путем наклепа можно повысить твердость, предел прочности в 2-3 раза,предел текучести в 3,5-7 раза. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем метал­лы с ОЦК решеткой. (Интенсивно наклёпывается аустенитная сталь, никель, а алюминий упрочняется в меньшей степени).

С ростом степени холодной деформации возрастает электричес­кое сопротивление, коэрцитивная сила, понижается магнитная проницаемость, остаточная индукция и плотность металла.

Наклепанный металл легче корродирует, появляется склонность к межкристаллитному растрескиванию.

Наклеп применяют для повышения поверхностной прочности метал­лических изделий, повышения износостойкости, предела выносливости или для улучшения обрабатываемости некоторых вязких сплавов ( ла­туней, сплавов алюминия и т.д.).

Однако в некоторых случаях, когда наклеп вреден (при волочении труб, проволоки, когда значительно уменьшается пластичность металла и возможно разрушение заготовки), с целью восстановления первона­чальных (до холодной деформации) свойств, применяют промежуточную термическую обработку - рекристаллизационный отжиг.

 

2. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

 

Большая часть работы (95 %), затрачиваемой на деформацию ме­талла, превращается в тепло (металл нагревается), остальная часть энергии аккумулируется в виде повышенной плотности несовершенств строения. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают диффузионные процессы возврата и рекристаллизации, которые сопро­вождаются выделением тепла и уменьшением свободной энергии.

Возвратом называют изменения тонкой структуры наклепанного металла (при температуре 0,1- 0,2 Т _{плавления}), которые не сопро­вождаются изменением микроструктуры, видимой в оптический микрос­коп. На первой стадии возврата, которая называется отдыхом, происхо­дит уменьшение количества точечных дефектов (вакансии) за счет их поглощения дислокациями.

Перегруппировка дислокаций не образует новых субграниц, но снимает остаточные напряжения. Для таких металлов, как железо и алюминий, переползание дислокаций приводит к небольшому снижению плотности, в результате чего твердость может понизиться на 1-5%. Физические свойства ( электросопротивление, магнитная проницае­мость) начинают восстанавливаться. Повышается сопротивление кор­розионному растрескиванию.

Вторая стадия возврата- полигонизация, под которой понимают фрагментацию кристаллов на субзерна (полигоны) с малоугловыми границами, происходит при температуре ближе к 0,3Т_пл. При холод­ной деформации кристалла возникают дислокации, хаотично (неупоря­доченно) расположенные в плоскостях скольжения. При нагреве пере­мещение дислокаций приводит к частичной аннигиляции и выстраива­нию одноименных дислокаций в стенки, которые и образуют субграни­цы- полигоны.

 

 

Рис.3 Схема процесса полигонизации

 

Зерна дробятся на участки с малоугловыми границами. При по-лигонизации все физические свойства полностью восстанавливаются. Механические свойства также начинают меняться - твердость и проч­ность уменьшаются на 5-15%, а пластичность возрастает на 10-30%. Пластичность восстанавливается в большей степени, чем прочность. Но предел упругости возрастает, что и используется при термообра­ботке холодновитых пружин, катаной проволоки. Такой вид термообра­ботки холоднодеформированной стали называется патентированием.

Полигональную структуру в оптический микроскоп рассмотреть невозможно, но электронная микроскопия и рентгеноструктурный анализ позволяют исследовать все стадии возврата.

При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов воз­растает и в участках с максимальной плотностью дислокаций возни­кают зародыши новых зерен. Чем выше степень деформации, тем больше центров рекристаллизации.

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

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться только после деформации, степень которой превышает определенное значение, которое называется критической степенью деформации. Если деформация была ниже критической, то зарождение новых зерен не происходит. Для стали степень критической деформации равна 5-8 %, для алюминия - 2 %, для меди - 5 %.

e- %- критическая деформация

 

Рис.4 Зависимость размера зерна рекристаллизованного метал­ла от степени деформации. Д₀-исходный размер зерна.

 

После критической деформации величина рекристаллизованного зерна очень велика в связи с малым числом центров рекристаллиза­ции. Такая крупнозернистость резко уменьшает пластичность металла. Поэтому при холодной прокатке избегают малых деформаций. Наименьшую температуру начала рекристаллизации при которой проис­ходит разупрочнение металла и повышение пластичности называют порогом рекристаллизации. Эта температура не является постоянной и зависит от длительности нагрева, степени холодной деформации, ве­личины исходного зерна, степени чистоты металла. Температурный по­рог рекристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева, или меньше величина зерна до деформации и чем чище металл. Температура рекристаллизации составляет долю от температуры плавления: Т_р = a ×Т_пл (формула Бочвара А.А.);, для металлов технической чистоты a = 0,3 - 0,4 ; для сверхчистых металлов a = 0,1 - 0,2 ; для твердых растворов a = 0,5- 0,6 ; для тугоплавких металлов a = 0,7-0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 450^о С.

С дальнейшим значительным повышением температуры или времени вы­держки происходит рост зерна; эта стадия называется вторичной или собирательной рекристаллизацией.

 

 

 

Рис.5 Схема изменения структуры металла при нагреве:

 

а) - наклепанный металл;

б) - начало первичной рекристаллизации;

в) - первичная рекристаллизация;

г) - собирательная рекристаллизация

 

 

Рис.6 Влияние нагрева на свойства деформированного металла

После собирательной рекристаллизации пластичность и ударная вязкость металла уменьшается.

 

Таблица 1

Температура рекристаллизации и горячей обработки

металла давлением

 

МЕТАЛЛ	Температура, оС
порог рекрис­таллизации	рекристаллиза-ционного отжига	горячей обработки
железо		600-700	800- 1300
сталь		600-700	800- 1300
медь		450-500	600- 800
латунь		400-500	600- 750
алюминий		250-350	350- 450
молибден		1400-1600	1400- 2000

 

Если металл, деформированный до больших степеней деформации по всему объему (тонкий лист, тонкая проволока), нагреть до высоких температур намного превышающих температуру рекристаллизации обра­ботки, то происходит процесс вторичной рекристаллизации. Вторичная рекристаллизация заключается в том, что зерна с определенной крис­таллографической ориентацией относительно оси прокатки растут за счет зерен с другой кристаллографической ориентацией. В результа­те вторичной рекристаллизации все зерна или большая часть зерен оказывается кристаллографически ориентирована одинаковым образом. Такое явление называют кристаллографической текстурой рекристал­лизации.

Текстурованный металл становится анизотропным, как монокрис­таллическое тело- свойства зависят от направления. Это явление нежелательно для материалов, предназначенных для изготовления дета­лей машин и других изделий, испытывающих всесторонние нагрузки. Но в случае использования физических свойств, таких как модуль упру­гости, магнитная проницаемость, указанное явление полезно.

Так, сердечники трансформаторов, набранные из пластин текстурованной трансформаторной стали, имеют большую магнитную проницае­мость по сравнению с сердечниками, набранными из пластин нетекстурованной стали.

В настоящее время практически вся трансформаторная сталь из­готавливается текстурованной. Сорта стали отличаются степенью

текстурованности. Идеальной является сталь со 100 % текстурованностью. При вторичной рекристаллизации вследствие высоких темпе­ратур образуются очень крупные зерна, размером от 5 до 100 мм.

 

ХОЛОДНАЯ И ГОРЯЧАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

 

В практике обработки металлов часто употребляются термины: горячая и холодная обработка давлением. Разделение на холодную и горячую зависит от отношения температуры обрабатываемого металла к температуре рекристаллизации. Если температура металла ниже температуры рекристаллизации, маталл при обработке давлением нак­лепывается, то такую обработку называют холодной. Если температура металла выше температуры рекристаллизации, металл претерпевает рекристаллизацию в процессе самой обработки, то такую обработку называют горячей.

 

ХОД РАБОТЫ

 

1.Измерить твердость недеформированного образца.

2.Зарисовать микроструктуру образца до деформации, обратить внимание на форму зерна.

3.Измерить твердость образцов после деформации 10,20,30,40,50 %. Построить график зависимости твердости от степени деформа­ции.

4.Зарисовать микроструктуру деформированного образца, обра­тить внимание на форму зерен.

5.Образцы металла со степенью деформации 50 % отжигать в печах с разной температурой ( 300, 350, 400,450,500,550,600,650, 700^е С). В каждую печь заложить по 2 образца, один отжигать 20 минут, другой - 60 минут.

6.Результаты измерений оформить в виде таблицы и графика зависимости твердости от температуры отжига.

7.По графику зависимости определить температуру рекристал­лизации при различных временах выдержки в печи.

8.Зарисовать структуру металла после рекристаллизации. Об­ратить внимание на форму и размеры зерен.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое деформация ?

2.Какая деформация называется пластической ? Приведите при­меры использования пластической деформации в технике.

3.Как изменяется структура и свойства металла при пласти­ческой деформации ?

4.Что называют наклепом ?

5.Какие процессы происходят при нагреве наклепанного метал­ла, перечислите их.

6.Как изменяются структура и свойства металла при нагреве наклепанного металла ?

7.Какие факторы влияют на температуру рекристаллизации ?

8.От чего зависит величина зерна после рекристаллизации об­работки ? Проанализируйте график зависимости величины зерна от степени деформации.

9.В чем сущность вторичной рекристаллизации и где она при­меняется ?

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Ю.М. Лахтин, В.П.Леонтьева. Материаловедение,М.,Машинострое­ние. 1990г.

 

ОТЧЕТ

по лабораторной работе "Пластическая деформация и рекристал­лизация".

 

1. Цель работы- изучить влияние пластической деформации и

нагрева металла на изменение структуры и свойств наклепанного металла, овладеть одним из способов экспериментального опреде­ления температуры рекристаллизации.

2. Образцы и приборы:

- образцы малоуглеродистой стали d= 15 мм,

h= 20 мм;

- твердомер ТК-2;

- гидравлический пресс 50 т;

- металлографический микроскоп;

- набор микрошлифов (до деформации, после деформации, после рекристаллизации).

 

3.Описание сущности, механизма пластической деформации, изме­нение структуры и свойств металла при деформировании и нагреве наклепанного металла.

4.Структура и свойства металла до деформации. HRB=

 

 

 

5.Результаты измерений твердости при деформации металла.

 

e, %
HRB

 

 

 

6. Структура металла после деформации. НRВ=

 

7. Результаты измерений твердости после отжига деформирован­ного металла.

 

t, оС
HRB

 

 

Температура рекристаллизации при отжиге в течении 20 мин - ^оС

при 60 мин - ^оС .

 

8. Структура металла после рекристаллизации. НRВ=

 

 

 

ВЫВОДЫ: