Lab

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.

Степень деформации

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки исчезают лишь упругая составляющая деформации, часть же деформации, которую называют пластической, остается. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства.

Вполикристаллических телах пластическая деформация может осуществляться как путем перемещений внутри зерна (внутризёренная), так и смещения зёрен относительно друг друга (межзёренная).

Воснове протекания пластической деформации лежит явление зарождения и движения дислокаций под действием касательных напряжений путем сдвига (скольжения) отдельных частей кристалла относительно друг друга по плоскостям с наиболее плотным расположением атомов (рисунок 3.3). В металлах с ОЦК решеткой сдвиг происходит по диагональным плоскостям (110) в направлении пространственных диагоналей (111) (могут быть и другие плоскости скольжения).

Пластическая деформация поликристаллических тел происходит весьма неоднородно. Это объясняется двумя обстоятельствами:

1) различной ориентацией кристаллов относительно приложенной силы, что приводит к неодновременности деформации разных зёрен;

2) наличием границ зёрен и неметаллических включений, препятствующих перемещению дислокаций и вызывающих их локальное скопление.

Пластическая деформация в основном характеризуется скольжением и двойникованием.

Рисунок 3.3 - Схема сдвига в кристаллах

В процессе скольжения возникают новые дислокации, и плотность дислокаций увеличивается. В недеформированном кристалле плотность дис-

35

локаций достигает 106 см-2., а в сильнодеформированном металле порядка

1012 см-2.

Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, кроме скольжения, может осуществляться двойникованием, которое заключается в переориентации части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части, относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.

При деформации поликристалла отдельные зёрна меняют свою форму (вытягиваются), стремятся принять отдельную кристаллографическую ориентировку вдоль направления действия внешних сил. Изменение ориентировки происходит постепенно по мере увеличения степени деформации. При большой деформации металл приобретает определенную кристаллографическую ориентировку зёрен, называемую текстурой.

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

Рисунок 3.4 - Характер изменения микроструктуры при пластической деформации

При пластической деформации зёрна металла вытягиваются в направлении прокатки, волочения и принимают форму листочков или волокон (рисунок 3.4 б). При больших степенях деформации зёрна разбиваются на большее число фрагментов и блоков, увеличивается травимость металла, и микроструктура выявляется нечетко (рисунок 3.4 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.

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

36

сил, но и в результате фазовых превращений. Все они приводят к наклёпу. Наклёпанные металлы более склонны к коррозионному разрушению при эксплуатации.

С увеличением степени холодной деформации характеристики прочности (предел прочности, предел текучести, твёрдость) возрастают, а характеристики пластичности падают. После деформирования у металла со степенью деформации до 70 % предел прочности и твёрдость возрастают до 3 раз, а предел текучести - до 8 раз, при этом относительное удлинение снижается до

40 раз.

Структурное состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчивое. При нагреве пластически деформированный металл постепенно восстанавливает свою структуру и снова переходит в устойчивое состояние.

Степень и характер деформации, температура, скорость и продолжительность нагрева влияют на устранение наклёпа и изменения в структуре и свойствах металла. Различают две стадии процесса при нагреве: возврат (отдых и полигонизация) и рекристаллизация (первичная, собирательная и вторичная), (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Влияние нагрева на механические свойства и структуру деформированного металла

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

Возврат I-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.

37

Возврат II-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.

Первичная рекристаллизация. Является следующей стадией изменения структуры деформированных металлов после полигонизации (рисунок 3.5).

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

Тр =а Тпл,

где Т р - абсолютная температура рекристаллизации; Тпл - 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 Тпл. Наоборот, очень чистые металлы имеют низкую температуру рекристаллизации: 0,2 Тпл и даже 0,1 Тпл.

В деформированном металле формируются и растут центры рекристаллизации - участки с неискажённой 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.

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

38

зёрен и сопровождается появлением разнозернистости. Этой стадии способствуют следующие факторы:

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

2)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.

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.

Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей. Получаемое в процессе горячей деформации упрочнение тут же полностью или частично снижается за счет рекристаллизации, что снижает сопротивление деформации и повышает пластичность металлов.

Размер зерна рекристаллизованного металла зависит от следующих факторов: размера исходного зерна; степени деформации; температуры и скорости нагрева; длительности выдержки; наличия растворимых и нерастворимых примесей (химического состава сплава).

Процесс рекристаллизации подтверждается рентгенографическим анализом. Линии на рентгенограммах, снятых с неподвижного деформированного образца получаются сплошными и размытыми. По мере снятия напряжений при повышенных температурах на стадии возврата линии становятся чётче и тоньше. Как только начинается процесс рекристаллизации, и в структуре появляются рекристаллизованные зерна, на сплошной линии рентгенограммы возникают отдельные рефлексы. По мере уменьшения поля нерекристаллизованных участков металла число рефлексов на рентгенограмме увеличивается, а сплошной фон линии постепенно исчезает.

Сверхпластичностью называют способность металлов и сплавов к значительной равномерной деформации, при которой относительное удлинение достигает сотен и тысяч процентов. Это явление впервые было обнаружено А.А. Бочваром и З.А. Свилерским на сплавах, содержащих 22 % цинка. Для того, чтобы сплавы приобрели сверхпластичность, необходимо получить ультрамелкозернистую структуру. Такое структурное состояние достигается путем соответствующей термической обработки. В последние годы сверхпластичность используется в производстве различных деталей и заготовок весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объёмного прессования.

Различают несколько видов сверхпластичности:

1) мелкозернистая сверхпластичность проявляется при повышенных температурах не ниже, чем 0,4 Тпл (при очень мелком зерне размером в диа-

39

метре от 3 до 5 мкм и при малой скорости деформирования до 10-4 с-1);

2)субкритическая сверхпластичность. Имеет место при температурах вблизи (ниже) температуры фазовых превращений и при определённой исходной структуре;

3)мартенситная сверхпластичность при так называемом мартенситном (сдвиговом, бездиффузионном) превращении наблюдается повышенная пластичность;

4)рекристаллизационная сверхпластичность.

Обычно сопротивление деформации объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению - надёжность. Если разрушение происходит не за один, а за многие циклы нагружения, причем за каждый цикл происходит микроразрушение (сюда относятся такие процессы постепенного разрушения, как износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует долговечность материала.

3.3 Порядок выполнения работы

Описать механизм упругой и пластической деформации. Дать определение теоретической и реальной прочности металлов и сплавов, указать от чего зависит реальная прочность (выполняется студентом в порядке подготовки к лабораторной работе).

1)Произвести холодную пластическую деформацию на 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 НRВ производить на недеформированной поверхности и в центре каждого сферического отпечатка. Результаты записать в таблицу 3.I.

Таблица 3.1 – Результаты замеров твердости образцов после деформа-

ции

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 ºС, выдержать 30 минут.

40

4) После охлаждения образцов на воздухе измерьте твердость HRB в центре отпечатка, полученные данные запишите в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Результаты замеров твердости образцов после отжига

3.4 Содержание отчёта

3.4.1Цель работы.

3.4.2Таблицы 3.I и 3.2 с данными измерения твёрдости.

3.4.3График изменения твёрдости стали в зависимости от степени деформации (по данным таблицы 3.1).

3.4.4График изменения твёрдости пластически деформированной стали в зависимости от температуры отжига (по данным таблицы 3.2).

3.4.5Схемы микроструктур стали 10 до пластической деформации, после пластической деформации и после рекристаллизационного отжига.

3.4.6Выводы по работе.

3.5 Контрольные вопросы

3.5.1Стадии рекристаллизации.

3.5.2Что называется возвратом или отдыхом?

3.5.3Как изменяется структура металла в результате пластической де-

формации?

3.5.4Как изменяются свойства металла при наклёпе?

3.5.5Дать определение критической степени деформации.

3.5.6Как определить степень деформации?

3.5.7Как изменяется структура деформированного железа в результате первичной кристаллизации?

3.5.8Как изменяется пластичность при холодной пластической дефор-

мации?

3.5.9Как изменяется прочность металла при возврате?

3.5.10Почему происходит упрочнение в процессе холодной пластической деформации?

3.5.11Что такое собирательная рекристаллизация?

41

4 Лабораторная работа № 4

Железоуглеродистые сплавы

4.1 Цель работы

4.1.1 Изучить диаграмму состояния железо-углерод.

4.1.2 Изучить микроструктуры железоуглеродистых сплавов.

4.1.3 Научиться по микроструктуре определять вид железоуглеродистого сплава.

4.2 Основные сведения

Металлический сплав получают сплавлением двух или более элементов. В технике широко применяют сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, хромом, никелем и другими веществами.

Элементы - металлы и неметаллы, образующие сплав, называются компонентами.

Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением.

Фаза – это однородная по химическому составу, строению, свойствам часть сплава, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяется скачком.

Сплавы могут составлять следующие элементы структуры: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку одного компонента атомов другого компонента. Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

При образовании химических соединений компоненты вступают в химическое взаимодействие. К химическим соединениям относят карбиды, оксиды, сульфиды и др.

Механические смеси представляют собой смесь двух фаз, когда отсутствует взаимодействие между компонентами, нет взаимного растворения, компоненты не вступают в химические реакции и их кристаллические решетки различны.

Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним закономерности строения сплавов изучают по диаграммам состояния. Диаграммы состояния - это графические изображения, показывающие в условиях равновесия фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов.

Под равновесным состоянием сплава понимают такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве происходят полностью в соот-

42

ветствии с диаграммой состояния. Такое состояние наступает при медленном охлаждении сплава. По диаграммам состояния можно определить число фаз в сплавах, относительное количество каждой фазы, ее состав и природу: компоненты, твердый раствор, химическое соединение, определить температуры плавления, затвердевания и аллотропических превращений в сплавах.

Диаграммы состояния строят на основании результатов термического анализа, при котором для сплавов различного состава вычерчивают кривые охлаждения в координатах температура – время. На кривых охлаждения каждого сплава фиксируют температуры фазовых превращений (критические точки). Затем критические точки различных сплавов переносят на диаграмму состояния, которую строят в координатах температура – концентрация. Точки, соответствующие температурам начала и конца кристаллизации, температурам фазовых превращений, соединяют плавными кривыми.

4.3 Компоненты железоуглеродистых сплавов

Железо обладает температурным полиморфизмом и может существовать в двух аллотропических модификациях альфа-железо (Feα) и гаммажелезо (Feγ). Feα имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК); а Feγ - гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку (ГЦК). В интервале температур 911-1392 °С устойчивой модификацией является модификация Feγ. Ниже 911 °С и выше 1392 °С, вплоть до температуры плавления 1539 °С, более низким уровнем энергии обладает модификация Feα и, следовательно, устойчивой будет модификация Feα.

Для того, чтобы отличать низкотемпературную модификацию Feα, существующую при температурах ниже 911 °С, от высокотемпературной, существующей выше 1392 °С, последнюю принято называть дельтажелезо (Feδ).

Графит – представляет собой аллотропическую модификацию углерода. Он мягок, малопрочен. В чугунах и в графитизированной стали содержится в виде включений различной формы.

4.4 Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Структуры могут быть однофазные, двухфазные и многофазные. К однофазным структурам относят феррит, аустенит, цементит.

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК решеткой с максимальной растворимостью углерода 0,02 % при 727 °С (рисунок 4.1).

Характеризуется низкой прочностью (σв = 250 МПа) и твердостью 63 – 130 НВ), высокой пластичностью (относительное удлинение δ = 40 %). На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ (рисунок 4.6). Образует-

43

ся из аустенита. Твердый раствор внедрения углерода в Feδ называют высокотемпературным ферритом.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК решеткой, с предельной растворимостью углерода 2,14 % при температуре 1147 °С (рисунок 4.2). В железоуглеродистых сплавах в равновесном состоянии аустенит не существует при комнатных температурах. Обладает высокой пластичностью и низкой твердостью, относительное удлинение находится в пределах 40-50 %, твердость 160-200 НВ. Железоуглеродистые сплавы, находящиеся в аустенитном состоянии, легко поддаются обработке давлением. На диаграмме состояния аустенит занимает область NJESG (рисунок 4.6).

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом Fe3C (карбид железа) (рисунок 4.3). Имеет сложную кристаллическую решетку. В Fe3C содержится 6,67 % С. Характеризуется высокой твердостью (800 НВ), но очень хрупок. Чем больше цементита в сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают.

В зависимости от условий образования различают цементит первичный (ЦI) (рисунок 4.3 а), который образуется при кристаллизации заэвтектических чугунов (ниже линии CD).

Цементит вторичный (ЦII) (рисунок 4.3 б) – образуется у сплавов с содержанием 0,9-2,0 % С при охлаждении аустенита в результате изменения растворимости углерода в аустените (ниже линии ES в интервале температур от 1147 оС до 727 оС).

Цементит третичный (ЦIII) (рисунок 4.3 в) образуется у сплавов с содержанием 0,01-0,025 % С, при охлаждении феррита в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия PQ), ниже температуры 727 оС.

44