Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов и сплавов

Цель работы: Изучить влияние пластической деформации на строение и свойства металлических материалов. Рассмотреть влияние температуры нагрева на структуру и свойства холоднодеформированных металлов и сплавов.

Оборудование и материалы: твердомер Бринелля, твердомер Роквелла, лабораторные электропечи СНОЛ, бинокулярный микроскоп МБС-9, цифровой микроскоп «Микровизор металлографический», фрезерный станок, шлифовально-полировальный станок НЕРИС для приготовления микрошлифов, вытяжной шкаф, призматические образцы из отожженной малоуглеродистой стали.

Задания: 1. Изучить характер упругой и пластической деформации и упрочнения сталей. 2. Провести холодную пластическую деформацию различной степени с использованием твердомера Бринелля ПШ-2 путем вдавливания индентера. 3. Измерить твердость по Роквеллу на отпечатках Бринелля в образцах после холодной деформации различной степени. 4. Построить таблицу с результатами измерений. 5. Приготовить микрошлифы и оценить микроструктуру на образцах в различном состоянии после деформации и отжига. 6. Составить отчет по работе.

 

Основные сведения.

Наличие металлической связи придает металлам способность к пластической деформации и возможности упрочняться в процессе пластической деформации. Деформация происходит при приложении к материалу напряжений (нагрузок). Деформация – это изменение формы или размеров тела под действием внешних сил или физико-химических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения и т.п.). При деформации происходит смещение атомов из положений равновесия. Свойства недеформированного и деформированного металла различны.

Появление нагрузок вызывает образование в теле двух типов напряжений: нормальных и касательных. Нормальные напряжения приводят к увеличению или уменьшению расстояний между атомами в направлении действия нагрузки F (Рис.7.1а). Касательные напряжения изменяют угол между плоскостями в кристаллической решетке (Рис.7.1б).

Различают упругую и пластическую деформацию. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму структуру и свойства тела после снятия нагрузки исчезает и она не вызывает остаточных изменений в структуре и свойствах металла. Упругую деформацию

Рис. 7.1. Схему упругой деформации твердого тела в пружинной модели кристаллического строения; а – условие равновесия, б – упругие искажения при растягивающей нагрузке, в – упругие искажения при нагрузке сдвига.

 

могут вызывать как нормальные, так и касательные напряжения. После снятия нагрузки растяжения (Рис.7.1б) или сдвига (Рис.7.1в) деформация исчезает и тело возвращается в исходное равновесное состояние (Рис7.1а).

Касательные напряжения могут приводить к появлению остаточных деформаций. Такое свойство называется пластичностью. При увеличении касательных напряжений выше определенного предела деформация становится необратимой. При снятии нагрузки упругая составляющая деформации исчезает, а пластическая – сохраняется. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства. В поликристаллических металлах пластическая деформация происходит, в основном, внутри кристаллитов (внутризеренная). Происходит также изменение формы и смещение границ кристаллитов (межзеренная деформация).

Основной механизм пластической деформации – скольжение – осуществляется п еремещением путем сдвига (скольжения) дислокаций под действием касательных напряжений по плоскостям скольжения. Это плоскости с наиболее плотно расположенными атомами. Перемещение экстраплоскости по плоскости скольжения (Рис.7.3) происходит скачками. При этом осуществляется сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Пластическая деформация в поликристаллических металлах происходит неравномерно. В первую очередь это вызвано различной ориентировкой кристаллитов относительно наиболее благоприятных для скольжения плоскостей. Разная ориентация приводит к неодновременной деформации кристаллитов. Наличие границ зерен и других дефектов кристаллического строения, например, неметаллических включений вызывает затруднения в перемещении дислокаций, к увеличению их плотности, локальному росту внутренних напряжений и искажений решетки. Вступают в действие вторичные плоскости скольжения. Деформация все более затрудняется. Происходит упрочнение. Плотность дислокаций в исходном (недеформированном) металле составляет около 10⁶ см^-2, в сильнодеформированном - она достигает 10¹² см^-2.

В различных кристаллических решетках пластическая деформация осуществляется по-разному. В них различаются кристаллографические плоскости и направления скольжения (Табл.7.1). В ГЦК-металлах дислокации перемещаются легко и с большими скоростями, в то время, как в ОЦК-металлах их перемещение определяется скоростью приложения нагрузки. В ГЦК-металлах широко распространен еще один механизм пластической деформации – двойникование. При двойниковании часть кристалла перестраивается относительно другой части в положение, симметричное относительно плоскости двойникования. В ОЦК-металлах двойникование осуществляется при низких температурах, когда скольжение дислокаций становится затрудненным из-за роста предела текучести.

При деформации поликристалла отдельные кристаллиты (зерна) меняют свою форму (вытягиваются), стремятся принять одну кристаллографическую ориентацию вдоль направления действия внешних сил. Такие изменения происходят постепенно, по мере увеличения степени деформации. При большой пластической деформации зерна приобретают одну кристаллографическую ориентацию, называемую, текстурой.

Характер микроструктуры металла при разных степенях деформации различается. При малых степенях деформации зерна равноосные (Рис.7.4). При увеличении степени деформации проявляется волокнистость (Рис.7.4б). большие степени деформации затрудняют выявляемость отдельных фрагментов микроструктуры, которые становятся нечеткими и сильнее травятся. Такую структуру можно различать при больших увеличениях – в электронном микроскопе (Рис.7.4в,г). Свойства деформированного металла становятся анизотропными – различными в разных направлениях.

Механические свойства холоднодеформированного металла зависят от степени пластической деформации, сопровождаясь упрочнением – наклепом. При наклепе сильно меняется внутреннее строение – появляются упругие искажения кристаллической решетки, растет число вакансий, перераспределяются внедренные атомы углерода и азота. Меняются физические свойства, например, растет электросопротивление. Наклеп осуществляется не только под действием приложенных напряжений, но и в результате фазовых превращений (фазовый наклеп). Наклепанные металлы хуже сопротивляются коррозионному воздействию.

С увеличение степени холодной деформации прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, твердость) растут, а пластические (относительное удлинение, относительное сужение) падают. Так, холодная пластическая деформация малоуглеродистой стали в 70% приводит к росту предела прочности и твердости в 3 раза, предела текучести - до 8 раз, относительное удлинение падает до 40 раз.

Структурное состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво. С течением длительного времени и при повышенных температурах металл постепенно восстанавливает свою структуру и переходит в более устойчивое состояние. Изменение в структуре и свойствах, сопровождающиеся устранением наклепа, зависят от степени деформации, температуры, скорости и времени действия нагрева. Различают две стадии процесса восстановления свойств при нагреве: возврат (отдых и полигонизация) и рекристаллизация (первичная, собирательная и вторичная).

Процессы, осуществляющиеся в холоднодеформированном металле при нагреве, схематически представлены на рис.7.5. Возврат – это начальная стадия процессов разупрочнения, структурные признаки которых можно выявить только физическими методами исследования или электронно- микроскопически. Так, при относительно низких температурах происходит отдых - процессы, приводящие к снижению упругих искажений в кристаллической решетке вследствие перемещений точечных дефектов. При более высоких температурах осуществляется полигонизация – дислокации, расположенные в параллельных плоскостях скольжения, перестраиваются в энергетически более выгодную конфигурацию – выстраиваются в стенки, в которых они располагаются одна под другой (Рис.7.6). Такие стенки называются малоугловыми границами, разделяющими свободные от дислокаций блоки (субзерна). Угол разориентации между соседними субзернами легко посчитать, определив плотность дислокаций в стенке.

Следующей стадией изменения структуры деформированного металла при повышении температуры (после полигонизации) является первичная рекристаллизация. При выдержке после нагрева выше определенной температуры (называемой рекристаллизационым отжигом) с заметной скоростью начинают расти новые равноосные зерна, свободные от дислокаций и других признаков наклепа. Исследования показали, что между минимальной температурой, при которой начинается рекристаллизация, и температурой плавления существует зависимость:

Т_р = α Т_пл

где Т_р – абсолютная температура рекристаллизации, Т_пл -абсолютная температура плавления, α – коэффициент, зависящий от чистоты металла. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов технической чистоты α равно 0.3 – 0.4, у сплавов – достигает значения 0.8 Т_пл. В очень чистых металлах α снижается до 0.2 Т_пл.

Новые рекристаллизованные зерна отделены от деформированной матрицы большеугловыми границами, т.е. кристаллографически с ней не связаны. После того, как новые зерна займут весь объем, начинается собирательная рекристаллизация – равномерное увеличение объема новых зерен. При высокой температуре и большой длительности рекристаллизационного отжига происходит вторичная рекристаллизация – резкий избирательный рост отдельных зерен, приводящий к разнозернистости. Причины такого явления до конца еще невыяснены.

Деформация, осуществляемая при температурах ниже Т_р называется холодной деформацией. Такая деформация сопровождается наклепом со всеми сопутствующими признаками, изложенными выше. При температурах выше Т_р деформация не приводит к наклепу. Такая деформация называется горячей. Получаемое при горячей деформации упрочнение сразу же снимается полностью или частично за счет рекристаллизации, что снижает сопротивление нагрузкам и повышает пластичность металла.

Размер зерна рекристаллизованного металла зависит от нескольких факторов. К ним относятся: размер исходного зерна, степень деформации, температура и скорость нагрева, продолжительность выдержки при отжиге, наличие растворимых или нерастворимых примесей или легирующих элементов. Процесс рекристаллизации хорошо фиксируется рентгеноструктурным анализом.

 

Порядок выполнения работы

1. Описать механизмы упругой и пластической деформации. Указать, от чего зависит реальная прочность металла, что происходит в процессе пластической деформации при разных температурах (выполняется студентом в процессе подготовки к лабораторной работе).

2. Подготовить для исследования пять призматических образцов малоуглеродистой стали после полного отжига с поверхностью, пригодной для измерения твердости по Бринеллю.

3. Провести холодную пластическую деформацию с использованием твердомера Бринелля ПШ-2 путем вдавливания индентера диаметром 10 мм в пяти точках на одном образце, последовательно увеличивая нагрузку: 1839Н, 2452Н, 4903Н, 9807Н, 19614Н.

4. Провести холодную пластическую деформацию с использованием твердомера Бринелля ПШ-2 путем вдавливания индентера диаметром 10 мм в одной точке на четырех укороченных образцах, с нагрузкой 19614Н.

5. Замерить твердость по Роквеллу (шкала В) на образце пп.3 в исходном состоянии и после холодной пластической деформации в центре каждого отпечатка Бринелля. Результаты измерений занести в табл.7.1.

6. Произвести отжиг образцов пп.4 при температурах 400, 550, 650, 750^оС с выдержкой 30 мин. Каждый из четырех образцов поместить в отдельной предварительно нагретой лабораторной печи типа СНОЛ.

7. После охлаждения на воздухе образцов пп.6 произвести замер твердости по Роквеллу (шкала В) в центре каждого отпечатка Бринелля. Результаты измерений занести в табл.7.2.

8. Приготовить микрошлифы для всех 10 структурных состояний, просмотреть структуры при разных увеличениях и сфотографировать микроструктуру в центре каждого отпечатка Бринелля с помощью цифрового микроскопа «Микровизор металлографический».

9. Составить отчет по работе.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.
2. Краткие теоретические сведения по цели работы.
3. Используемые материалы, методики и оборудование.
4. График зависимости твердости от степени деформации (6 точек).
5. График зависимости твердости от температуры отжига (5 точек).
6. Фотографии микроструктур всех структурных состояний с комментарием о характере структуры и ее изменениях при увеличении степени деформации и температуры отжига. При возможности измерения величины зерна провести сравнение, применяя метод секущих.
7. Выводы по работе.

Таблица 7.1

Марка стали	Степень пластической деформации (пропорциональная нагрузка по Бринеллю) Н, (кГс)	Твердость НRB	Примечание
	В исходном состоянии

 

Таблица 7.2

Марка стали	Степень пластической деформации (пропорциональная нагрузка по Бринеллю) Н, (кГс)	Температура отжига (оС)	Твердость НRB

 

Контрольные вопросы

1. Какие изменения формы тела вызывают нормальные и касательные напряжения?

2. Как отличить упругую деформацию от пластической?

3. Какие механизмы пластической деформации Вы знаете?

4. Как изменяется структура металла в результате пластической деформации?

5. Как определить степень деформации?

6. Как изменяются свойства металла при наклепе?

7. Какие изменения в структуре металла происходит при отдыхе?

8. В результате каких процессов формируется субзеренная (блочная) структура металла?

9. Что происходит а процессе первичной рекристаллизации?

10. Что такое собирательная рекристаллизация?

11. В каких условиях происходит вторичная рекристаллизация и в чем она заключается?

12. Чем отличается горячая деформация от холодной?

13. Как влияет чистота металла на температуру рекристаллизации?

14. Какие особые точки присутствуют на кривой растяжения?

15.Почему происходит упрочнение в процессе холодной пластической

деформации?

16.Что такое двойникование и в каких условиях оно происходит?

Лабораторная работа № 11