Проверил: Стефанович А.В.
Минск 2011
Цель работы.
Изучение изменения формы, размеров зерен и твердости металла, подвергнутого холодному пластическому деформированию и рекристаллизационному отжигу.
Теоретическая часть.
1.1. Дефекты кристаллического строения при пластической деформации.
Приложение к металлическому образцу механической нагрузки вызывает его деформацию. Деформация может быть упругой (исчезает после снятия нагрузки) и неупругой или пластической (остается после снятия напряжения). Металл, повергнутый воздействию внешних сил деформируется сначала упруго, а потом – пластически.
При пластической деформации одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. После снятия нагрузки перемещенная часть кристалла не возвращается на старое место, и деформация сохраняется. Эти сдвиги можно выявить при микроструктурном анализе. При пластической деформации наблюдается также изменение форм зерен и их расположения в пространстве. Между зернами (а иногда и внутри зерен) могут возникать пустоты.
Различают также горячую (
) и холодную (
) пластическую деформацию. Горячая и холодная пластические деформации по-разному влияют на микроструктуру и свойства металла.
При пластической деформации в кристаллическом строении металла возникают различные дефекты.
Дефекты могут быть точечными (вакансия и межузельный атом, рис.2.1). Такие дефекты по всем трем координатам соизмеримы с размерами элементарной ячейки. Они могут оказывать значительное влияние на физические свойства металла (например, удельное электросопротивление), но какого-либо заметного изменения механических свойств не наблюдается.
|
|
Рис.2.1.Точечные дефекты кристаллического строения: а – вакансия,
б – межузельный атом.
Также существуют линейные дефекты – дислокации. По одной из трех координат длинна такого дефекта соизмерима с размером кристалла. Дислокации значительно влияют на механические свойства металла (например, твердость и пластичность).
1.2. Механизм перемещения дислокации.
Дислокация – дефект кристаллического строения, характеризующийся наличием экстраплоскости.
Рис.2.2. Дислокационная схема пластического сдвига (а ® б ® в ® г ® д).
Дислокация под действием силы F перемещается (рис.2.2) влево только из-за того, что по обе стороны плоскости AA` изменяется соседство атомов. Под действием силы расстояние между атомами 3 и 3` увеличивается, связь между ними разрывается, и атом 3` сближается с атомом 4. Далее под действием той же силы связь между атомами 2 и 2` ослабевает и разрывается, а потом возникает между атомами 2` и 3. В конце дислокация выйдет на поверхность кристалла и исчезнет. Этот процесс происходит при меньшей силе, чем одновременный сдвиг всех атомов. Так осуществляется пластическая деформация.
Процесс пластической деформации будет проходить тем легче, чем больше дислокаций в кристалле. (Однако при достижении определенной плотности дислокаций наблюдается упрочнение металла и дальнейшая пластическая деформация затрудняется.) В металле, в котором нет дислокаций, пластическая деформация будет осуществляться только за счет одновременного сдвига всей части кристалла. Также возможно предварительное зарождение дислокаций под действием деформации. Если дислокации не зарождаются, то металл будет иметь повышенную прочность. Дислокации значительно уменьшают прочность и увеличивают пластичность металла.
|
|
1.3. Изменение свойств металлов при холодной и горячей пластической деформации.
Различают холодную и горячую пластическую деформацию.
Холодная деформация проходит при температурах ниже температуры рекристаллизации.
При ней изменяется форма зерен и их ориентация в пространстве. По отношению к направлению действующей на металл силы зерна поворачиваются, создавая наибольшее сопротивление деформированию (вытягиваются вдоль направления приложенной нагрузки при растяжении и перпендикулярно к ней при сжатии). Металл приобретает волокнистую структуру. При этом металл может приобретать особые свойства, что используется, например, при производстве трансформаторной стали. Следует отметить, что при очень больших степенях деформации наблюдается дробление зерен, что приводит к изменению кристаллической структуры металла.
При холодной пластической деформации изменяются физические, химические и механические свойства металла. Между зернами возникают механические напряжения. Прочность и твердость металла увеличиваются, а пластичность – уменьшается. Таким образом, холодная пластическая деформация сопровождается упрочнением металла (наклепом). При продолжительной пластической деформации из-за дальнейшего увеличения количества дефектов и увеличения внутреннего механического напряжения возможно разрушение образца.
|
|
Наклепанное состояние является нестабильным. Для перехода в устойчивое (стабильное) состояние необходим нагрев выше температур рекристаллизации. При этом атомы вернутся в исходные равновесные положения и свойства металлов, измененные деформацией, восстановятся.
Горячая пластическая деформация проходит при температурах выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.
При горячей пластической деформации также идет упрочнение металла (“горячий наклеп”), которое полностью или частично снимается процессами разупрочнения (рекристаллизацией), протекающими при температурах обработки и последующем охлаждении. Процессы рекристаллизации и полигонизации, проходящие при горячей деформации называют динамическими. Между зернами также возникают механические напряжения, которые полностью или частично исчезают в процессе рекристаллизации.
В зависимости от состава сплава и скорости деформации горячую деформацию обычно проводят при температурах 0,7 – 0,75 температуры плавления.
Экспериментальная часть.
2.1. Графическая зависимость твердости от степени деформации, температуры.
Рис.2.3. Зависимость твердости от степени деформации при температуре t=20°C.
Рис.2.4. Зависимость твердости от температуры нагрева при степени деформации e=70%.
Рис.2.5. Зависимость твердости от степени деформации при температуре t=700°C.
2.2. Микроструктура образцов деформированного технического железа.
Рис.2.6. Текстура деформированных образцов:
а – степень деформации e=0%, температура t=20°C;
б – степень деформации e=70%, температура t=20°C;
в – степень деформации e=70%, температура t=350°C;
г – степень деформации e=70%, температура t=450°C;
д – степень деформации e=70%, температура t=700°C.
Выводы.
Таким образом, различают горячую и холодную пластическую деформацию. Холодная пластическая деформация происходит при температурах ниже температуры рекристаллизации, а горячая – выше. Температуру рекристаллизации можно найти по формуле
Tрекр=aTпл (°К),
где коэффициент a находится в пределах от 0,3 до 0,4.
При холодной пластической деформации форма зерен изменяется, а между ними появляются механические напряжения. При этом пластичность падает, а прочность возрастает.
При последующем нагреве наблюдается рекристаллизация. Напряжения между зернами исчезают из-за подвижности атомов. Прочность падает, а пластичность возрастает, наблюдается полигонизация. При дальнейшем повышении температуры наблюдается мелкозернистая структура, некоторые зерна сливаются, образуя более крупные. Металл возвращается в исходное состояние. После остывания его опять можно деформировать.
При горячей пластической деформации процессы упрочнения и разупрочнения идут параллельно. Металл можно деформировать сколь угодно долго, не боясь, что образец разрушится.
Тип деформации (горячая или холодная) зависит от температуры плавления металла. Так, например, для железа при комнатной температуре деформация будет холодной, а для свинца при двадцатиградусном морозе – горячей.