Влияние пластической деформации на структуру и свойство материалов

Лабораторная  работа №3

Влияние пластической деформации на структуру  и свойство материалов

 

Цель работы: изучить влияние пластической деформации на строение и свойства металлов.

 

Основные сведения

 

Наличие металлической связи придает металлу способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации. Приложение к материалу напряжения (нагрузки) вызывает деформацию.

Деформацией называется изменение размеров или формы тела под действием внешних сил либо физико-механических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения и т.п.). Деформация тела сопровождается относительным смещением атомов из положения равновесия. Свойства недеформированного и пластически деформированного металла различны.

Различают упругую и пластическую деформацию.

Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела исчезают после снятия нагрузки; и она не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла.

При пластической деформации зёрна металла вытягиваются в направлении прокатки, волочения и принимают форму листочков или волокон.

 

Порядок выполнения работ

 

Описать механизм упругой и пластической деформации. Дать определение теоретической и реальной прочности металлов и сплавов, указать от чего зависит реальная прочность.

1. Произвести холодную пластическую деформацию па приборе Бринелля ТШ-2 путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10 мм с нагрузкой 1839, 2452, 4903, 9807, 19614 Н на одном образце и с нагрузкой 19614 Н на 4 образцах из стали 10.
2. Измерить твердость образцов в исходном состоянии и пластически деформированных с различной степенью. Замеры твердости HRB производить на недеформированной поверхности и в центре каждого сферического отпечатка. Результаты записать в таблицу 3.1.

 

 

 

 

 

 

   Таблица 3.1

 

Марка стали	Степень пластической деформации, Н (кгс)	Твёрдость HRB	Примечание
Сталь 10	В исходном состоянии
	1839 (187)	6,8
	2452 (250)	9,10
	4903 (500)	18,2
	9807 (1000)	36,4
	19614 (2000)	72,8

 

3. Произвести отжиг образцов после пластической деформации с нагрузкой 19614 Н. Для этого поместите по одному образцу в электропечи, предварительно нагретые до 400, 550, 650, 750°С, выдержать 30 минут.
4. После охлаждения образцов на воздухе измерьте твердость HRB в центре отпечатка, полученные данные запишите в таблицу 3.2.

5.Оформить отчет к лабораторной работе.

Таблица 3.2

 

Марка стали	Степень пластической деформации, Н (кгс)	Температура отжига, °С	Твёрдость HRB
Сталь 10	19614	400	68,5
	19614	550	55,3
	19614	650	48,7
	19614	750	41,2

 

Контрольные вопросы:

 

1. Стадии рекристаллизации.
2. Что называется возвратом или отдыхом?
3. Как изменяется структура металла в результате пластической деформации?

4.Как изменяются свойства металла при наклёпе?

5. Дать определение критической степени деформации.
6. Как определить степень деформации?
7. Как изменяется структура деформированного железа в результате первичной рекристаллизации?

8.Как изменяется пластичность при холодной пластической деформации?

9.Как изменяется прочность металла при возврате?

10. Почему происходит упрочнение в процессе холодной пластической де- 
формации?

11. Что такое собирательная рекристаллизация?

 

1.Рекристаллизация подразделяется на первичную, собирательную и вторич- ную стадии.

Первичная рекристаллизация - является следующей стадией изменения структуры деформированных металлов после полигонизации (рисунок 3.1).

Рис 3.1

Рекристаллизация, т. е. образование новых зёрен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры.

Собирательная рекристаллизация возникает после первичной, точнее после того, как выросшие центры рекристаллизации приходят во взаимное соприкосновение. Она заключается в равномерном укрупнении структуры путём роста одних зёрен за счёт других, новых и происходит в результате перемещения границ.

Вторичная рекристаллизация протекает в материале при высокой температуре и очень большом увеличении продолжительности отжига. Она заключается в резком избирательном росте отдельных рекристаллизованных зёрен и сопровождается появлением разнозернистости. Этой стадии способствуют следующие факторы:

- разная величина объёмной энергии у зёрен, менее искажённые зёрна растут за счёт более искажённых;

- высокая подвижность границ одних зёрен по сравнению с другими, что может быть вызвано разными причинами. Одна из них - неравномерное распределение дисперсных включений по границам зёрен. Границы, которые высвобождаются, в первую очередь, интенсивно мигрируют в направлении уменьшения поверхностной энергии, что создаёт благоприятные условия для ускоренного роста отдельных зёрен.

 

2.Возврат - начальная стадия разупрочнения, связанная с изменениями в тонкой кристаллической структуре.

Возврат 1-го рода (или отдых) происходит при нагреве до относительно невысоких температур и приводит к частичному снятию упругих искажений в решётке. При отдыхе в металле протекает ряд элементарных процессов, основным из которых следует считать диффузию точечных дефектов и их смещение к дислокациям.

Возврат 2-го рода или полигонизация заметно меняет структуру деформированного металла при нагреве. Под полигонизацией понимают перераспределение дислокаций, приводящее к образованию областей кристалла, свободных от дислокаций и отделенных друг от друга поверхностями раздела.

 

3.При пластической деформации зёрна металла вытягиваются в направлении прокатки, волочения и принимают форму листочков или волокон (рисунок 3.2 б). При больших степенях деформации зерна разбиваются на большее число фрагментов и блоков, увеличивается травимость металла, и микроструктура выявляется нечетко (рисунок 3.2 в).

Образование текстуры деформации способствует тому, что поликристаллический металл становится анизотропным (свойства его изменяются в зависимости от направления испытания). Изменение механических свойств технического железа зависит от степени холодной пластической деформации.

 

                               а)                          б)                              в)

Рисунок 3.2- Характер изменения микроструктуры при пластической

деформации

а - структура металла до деформации; б - волокнистая структура деформированного металла; в - структура металла после большой степени деформации

 

4.Упрочнение металла в процессе пластической деформации - наклёп -объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Пластическая деформация приводит к изменению физических свойств металла: увеличиваются искажения решетки и, следовательно, его внутренняя энергия, растут твердость и прочность, увеличивается электрическое сопротивление, уменьшается пластичность. Деформация происходит не только в результате приложения внешних сил, но и в результате фазовых превращений. Все они приводят к наклепу. Наклёпанные металлы более склонны к коррозионному разрушению при эксплуатации.

 

5.Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превосходит определенную минимальную величину, которая называется критической степенью деформации:

- относительное обжатие,

 где H₀ - начальная высота заготовки,

       h - высота заготовки после обжатия

 Если степень деформации  меньше критической, то зарождения  новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2 - 8%); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди - к 5%.В деформированном металле формируются и растут центры рекристаллизации - участки с неискаженной решеткой, отделенные от матрицы границами с большими углами разориентировки. При критической деформации имеется неоднородность наклёпа разных зерен; и она настолько большая, что из-за разности в накопленной объёмной энергии соседних зёрен при нагреве идёт быстрая миграция отдельных границ на расстояния, соизмеримые с размерами зёрен, т.е. исходные зёрна растут за счёт соседей. Кроме того, плотность дислокаций и избыток дислокаций одного знака недостаточны, чтобы вызвать образование новых высокоугловых границ и центров первичной рекристаллизации.

 

6.При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры (текстура деформации).

Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентировку (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т. д.). При больших степенях деформации зерна разбиваются на большее число фрагментов и блоков, увеличивается травимость металла, и микроструктура выявляется нечетко.

 

7. Первичная рекристаллизация состоит из зарождения новых зерен и их последующего постепенного роста. Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации.

С течением времени  образовавшиеся центры новых зерен  увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке.

Первичная рекристаллизация заканчивается при полном поглощении новыми зернами старых деформированных  зерен.

Сопоставление температур рекристаллизации различных металлов показывает, что между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления существует простая зависимость:

Т_р =а-Т_пл

 

где Т_р - абсолютная температура рекристаллизации;

     Т_пл - абсолютная температура плавления;

       а - коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов обычной технической чистоты а = 0,3 - 0,4. Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает 0,8 Т_пл. Наоборот, очень чистые металлы имеют низкую температуру рекристаллизации: 0,2 Т_пл и даже 0,1 Т_пл.

 

8. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. Процесс холодной деформации сопровождается наклепом металла, так как малые температуры не обеспечивают разупрочнения металла, механические свойства металлов при холодной деформации изменяются значительно: возрастает прочность и уменьшается пластичность.

 

9. Процесс возврата протекает обычно при температурах ниже 0,3 Т_ПЛ (Т_ПЛ - абсолютная температура плавления металла или сплава).

Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две  возможные стадии: отдых и полигонизацию.

Отдыхом холоднодеформированного  металла называют стадию возврата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких как алюминий и. железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности.

Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением  остаточных напряжений. Отдых вызывает значительное уменьшение удельного  электросопротивления и повышение  плотности металла.

Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель). Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна - полигоны, свободные от дислокаций, а дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки.

Полигонизация холоднодеформированного металла  обычно приводит к уменьшению твердости  и характеристик прочности.