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
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 ( sв), условный предел текучести (s0,2),предел упругости (sуп),;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. 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 0,3Тпл. 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.
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: Тр = a ×Тпл (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 450о 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
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, 700е 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.
6. Структура металла после деформации. НRВ=
7. Результаты измерений твердости после отжига деформированного металла.
Температура рекристаллизации при отжиге в течении 20 мин - оС при 60 мин - оС .
8. Структура металла после рекристаллизации. НRВ=
ВЫВОДЫ: ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|