Вплив холодної пластичної деформації і рекристалізації на структуру і властивості стали

Мета роботи: вивчити вплив холодної пластичної деформації на структуру і властивості (твердість) маловуглецевої сталі; вивчити вплив температури нагріву на структуру і властивості (твердість) холоднодеформованої маловуглецевої сталі.

Прилади й устаткування: набір готових мікрошліфів, мікроскоп МІМ-7, твердоміри, штангенциркуль.

Пластична деформація і рекристалізація. Холодна пластична деформація викликає в металі структурні зміни, а отже, і зміна властивостей металу.

Явища, що виникають в металі при пластичної деформації, різноманітні. Умовно їх можна розділити на три групи:

а) зміна форми і розмірів кристалів (зерен);

б) зміна їх кристалографічної просторової ориенти- ровки;

в) зміна тонкого внутрішньої будови кожного кристала.

Пластична деформація здійснюється шляхом ковзання (зсуву) або двойникования. Ковзання (зрушення) складається в переміщенні однієї частини кристала щодо іншої за певними площинах і напрямах. Двійникування здійснюється шляхом повороту деякого об'єму кристала на певний кут.

Численні дослідження показують, що ковзання і поворот здійснюються по площинах і напрямах з найбільш щільною упаковкою атомів. Чим більше в металі таких площин, тим вище його здатність до пластичної деформації. Метали і сплави з кубічними решітками К12 і К8 мають велику пластичність, ніж метали і сплави з гексагональними гратами Г12 і Г6.

Уздовж площин, за якими стався зсув, і в прилеглих до них обсягах відбувається спотворення кристалічної решітки, яке викликає зміцнення сплаву. Тому подальше ковзання виникає вже в іншій паралельній площині і при більшій напрузі.

Процес ковзання можна уявляти собі як одночасне переміщення всіх атомів, що знаходяться в площині ковзання, так як для групового переміщення атомів потрібні напруги в сотні разів більші, ніж напруги ковзання. Наприклад, для монокристалів заліза найменша теоретична міцність ковзання дорівнює 23000 МПа, а реальна міцність ковзання становить 290 МПа, що майже в 100 разів менше теоретичної; для алюмінію реальна міцність майже в 500 разів менше теоретичної, для міді в 1540 разів.

Така велика розбіжність між теоретичною і реальною міцністю металів викликано наявністю в реальних кристалах численних дефектів кристалічної решітки.

Порівняно легке переміщення атомів по площинах ковзання пояснюється наявністю в цих площинах лінійних дефектів - дислокацій. Дислокації бувають лінійні і гвинтові. Освіта лінійної дислокації можна уявити як впровадження в ідеально побудований кристал зайвої кристаллографической полуплоскости атомів, званої екстраплоскості (рис. 14).

Мал. 14. Схема освіти лінійних дислокацій:

АВ - лінія дислокації; CD - площину ковзання лінійної дислокації

Нижній край екстраплоскості АВ викликає найбільше спотворення в кристалічній решітці, яке називається лінією дислокації. Навколо лінії дислокації концентруються всі пружні спотворення кристалічної решітки. Над лінією дислокації, де є екстраплоскості, кристалічна решітка стискається, а під лінією дислокації, де відсутня екстраплоскості, розтягується. Довжина дислокації може досягати декількох тисяч міжатомних відстаней решітки.

При русі дислокацій відбувається зміщення атомів на величину, меншу атомного відстані, для чого потрібні невеликі зусилля. Відбувається це тому, що атоми, що лежать на лінії дислокації, знаходяться в нерівноважному стані; зміщені зі своїх нормальних положень дислоковані атоми перейдуть в рівноважний стан навіть при невеликій напрузі, а атоми з нормального положення в дислоковані.

У процесі пластичної деформації відбувається не тільки рух наявних в кристалі дислокацій, а й утворюється велика кількість нових дислокацій в різних кристалографічних площинах і напрямках. Якщо на шляху руху дислокації зустрічаються перешкоди у вигляді іншої дислокації або дефектів іншого виду, то процес руху дислокації загальмовується, і для подолання цих перешкод потрібні великі зовнішні зусилля.

Щільність дислокацій в недеформованому металі може становити 10 6 -10 8 дислокацій в 1 см -2. після деформації в цьому ж металі вона досягає 10 10 -10 12 дислокацій в см -2.

Таким чином, створення дислокацій - одне з найважливіших явищ, що виникають при пластичній деформації.

При певній (критичній) щільності дислокацій та інших дефектів і спотворень кристалічної решітки міцність матеріалу збільшується, так як створюються перешкоди для вільного руху дислокацій. Чим більше викривлена ​​решітка на межзеренного і міжблокових межах, тим більше утруднено ковзання по кристалографічних площинах і напрямах.

При пластичної деформації полікристалічного тіла зерна деформуються по різному: в першу чергу будуть деформуватися ті зерна, в яких площині легкого ковзання найбільш сприятливо розташовані по відношенню до доданої силі.

В процесі розвитку пластичної деформації змінюється форма зерен, спостерігаються повороти зерен відносно один одного, дроблення зерен і утворення їх певної кристалографічної орієнтації - виникає текстура деформації. По відношенню до діючої силі зерна витягуються при розтягуванні і розташовуються перпендикулярно до неї при стисненні. Метал набуває як би волокнисту структуру. Лініями волокон є всілякі домішки, розташовані по межах зерен. Текстуровані матеріал анизотропен, тобто механічні та фізичні властивості за різними напрямками різні.

Таким чином, пластична деформація, яким би способом вона не проводилася (розтягуванням, стисненням, вигином, прокаткою, волочінням і т.д.), викликаючи спотворення кристалічної решітки, дроблення блоків мозаїчної структури, змінюючи форму зерен і утворюючи текстуру, призводить до зміни всіх властивостей металів і сплавів.

Характеристики міцності (твердість, межа міцності, межа пружності, межа плинності) зі збільшенням ступеня пластичної деформації ростуть; характеристики пластичності і в'язкості (відносне подовження, відносне звуження, ударна в'язкість) падають. У процесі пластичної деформації змінюються фізичні властивості: зменшується щільність, опірність корозії, магнітна проникність, збільшується коерцитивної сила, збільшується Електроопір, змінюється термоелектрорушійна сила.

Деформація зі ступенем понад 70% збільшує межу міцності в півтора - два рази, а іноді і в три рази, в залежності від природи металу та виду обробки тиском. Відносне подовження при цьому знижується в 10-20, а іноді і в 30-40 разів.

Зміцнення металів і сплавів, отримане в процесі пластичної деформації, називається нагартовка або наклепом.

Стан металу, що виникає в результаті наклепу, є нестійким, метастабільним, з підвищеною вільної енергією. Тому навіть при кімнатних температурах в нагартованной металлепротекают мимовільно дифузійні процеси, що призводять деформований метал в більш рівноважний стан. При підвищених температурах ці процеси протікають швидше. Залежно від ступеня деформації, температури і часу нагрівання в нагартованной металі протікають різні за своїм типом структурні зміни, які поділяють на дві стадії: повернення і рекристалізацію. У свою чергу стадія повернення включає відпочинок і полигонизацию, а стадія рекристалізації - первинну рекристалізацію (рекристалізація обробки) і збірну, або вторинну рекристалізацію.

При відпочинку (або повернення першого роду) відбувається дифузійне переміщення і анігіляція (взаємне знищення) точкових дефектів, зменшення концентрації вакансій. За сет цього частково знімаються пружні спотворення кристалічної решітки і, отже, частково відновлюються механічні та фізичні властивості. Мікроструктура металу і кристалографічна орієнтація його зерен практично не змінюються. Температура відпочинку для заліза відповідає 300-350ºС.

Полігонізації (або повернення другого роду) протікає при більш високій температурі (для заліза 450-500ºС). Вона характеризується тим, що відбувається планомірне переміщення дислокацій і угруповання дислокацій в ряди (рис. 15). Дислокації шикуються один над одним, утворюючи вертикальні дислокаційні малокутових кордону, які розділяють сусідні субзерна з невеликою разоріентіровкой решіток. В результаті відбувається подальше зняття пружних спотворень решітки і більш повне відновлення фізичних властивостей. Механічні властивості при цьому змінюються незначно, тому що процеси протікають всередині зерна, а самі зерна не змінюють свою форму.

При більш високих температурах (tнр - ​​температура початку рекристалізації, рис. 24), визначених для кожного матеріалу, починається процес утворення нових зерен натомість волокнистої

Мал. 15. Схема полігонізації:

а - хаотичний розподіл дислокацій в зігнутому кристалі; б - стінки з дислокацій після полігонізації

структури. При цьому відбувається повне разупрочнение деформованого матеріалу. Механічні та фізичні властивості набувають колишні значення (див. Рис. 24). Освіта і зростання нових зерен з менш перекрученою гратами за рахунок вихідних деформованих зерен називається рекристалізацією обробки. або первинної рекристалізацією. Рушійною силою рекристалізації обробки є енергія спотворень деформованих зерен.

Температура початку рекристалізації (18) залежить від багатьох чинників і насамперед від ступеня деформації матеріалу, хімічного складу, кількості домішок в ньому; від природи матеріалу, від величини зерна до деформації, від температури деформування. Визначено, що

де Трекра. - абсолютна температура рекристалізації; а - коеффі- циент, що враховує перераховані вище фактори; Тпл. - абсолютна температура плавлення даної речовини.

Для заліза і інших металів технічної чистоти мінімальна температура рекристалізації визначається за формулою Л.А. Бочвара (19):

Підвищення температури (t1. См. Рис. 16) або збільшення часу витримки призводить до зростання зерен, тобто відбувається поглинання дрібних, термодинамічно нестійких зерен більшими. Такий процес отримав назву збиральної, або вторинної рекристалізації. Ця стадія рекристалізації небажана для виробництва, так як вона призводить до утворення разнозерністимі.

Мал. 16. Вплив нагрівання на механічні властивості і мікроструктуру холоднодеформована металу

Температура рекристалізації грає величезне практичне значення. Щоб пластична деформація створювала в матеріалі зміцнення (наклеп), вона повинна здійснюватися при температурах нижче температури рекристалізації. Така обробка тиском називаетсяхолодной. Якщо ж обробка тиском проводиться при температурах вище температури рекристалізації, то виникає при деформації зміцнення буде зніматися процесом рекристалізації і матеріал разупрочняется. Така обробка тиском називається гарячої.

Термічна операція, яка полягає в нагріванні деформованого матеріалу до температури вище Трекра. витримці і наступному повільному охолодженні (з піччю), називається відпал рекристалізації.

Практично температура рекристаллизационного відпалу вибирається вище розрахункової зазвичай на 200-300ºС для прискорення процесу рекристалізації. Для заліза і низьковуглецевої стали ця температура приймається 650-700ºС.

Встановлено, що зерно зростає особливо сильно після невеликого ступеня деформації, званої критичної ступенем деформації # 949; кр. (Рис. 17).

Критичний ступінь деформації для заліза дорівнює 5-6%; для маловуглецевої сталі 7-15%.

При критичної ступеня деформації можливо взаємне знищення дислокацій при тепловому їх русі, що сприяє поступовому зменшенню кількості дислокацій на кордонах зерен і злиття декількох зерен в одне велике.

Критичну ступінь деформації слід уникати, так як після рекристаллизационного відпалу грубозерниста структура має знижену ударною в'язкістю, нижчими # 963; ст. # 963; 0,2 та # 948 ;.

Мал. 17. Вплив ступеня деформації на розмір зерна після рекристаллизационного відпалу

Порядок виконання роботи

У даній роботі студенти знайомляться зі зміною форми, розмірів зерен і твердості металу, підданого холодної пластичної деформації і відпал рекристалізації.

При виконанні роботи необхідно виконати наступне.

1. Привести короткий виклад основних теоретичних положе ний.

2. За зразками лабораторної колекції вивчити, замалювати в табл. 6 і пояснити мікроструктуру недеформованою частини зразка і частин зразків, підданих холодної пластичної деформації різного ступеня (рис. 18) і встановити залежність твердості поверхонь зразка від ступеня пластичної деформації.

Мал. 18. Зразок, підданий холодної пластичної деформації різного ступеня

Ступінь холодної пластичної деформації підраховується у відсотках як відношення (20):

де h0 - товщина зразка до холодної пластичної деформації, мм;

hi - товщина зразка після холодної пластичної деформації, мм;

Результати записати в табл. 5.