Наклеп. Рассмотрим процессы деформации, протекающие в металле при действии, например, растягивающих напряжений. Начальные деформации Δ l всегда упругие, их значение находится в прямой зависимости от напряжения. На рис. 43 упругая деформация характеризуется кривой АО и ее продолжением (пунктир). Выше точки предела упругости А напряжение вызывает не упругую, а остаточную пластическую деформацию. Если нагрузка превысила условный предел текучести σ0,2 и вызвала напряжение σ1 то после разгрузки в металле остается пластическая деформация, равная величине а (остаточное удлинение). При нагружении металла вновь его способность к пластической деформации уменьшается на величину a а предел текучести увеличивается и будет равен σ1, т.е. потребуются большие напряжения, чтобы вызвать новую пластическую деформацию. Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. Дальнейшее нагружение выше σι приведет к появлению новой остаточной пластической деформации и повышению предела текучести и т д., пока металл не потеряет способность пластически деформироваться (образовывать сдвиги в кристаллах). Тогда дальнейшее увеличение напряжения вызовет разрушение металла.
Упрочнение металла при холодной пластической деформации происходит в результате искажения кристаллической решетки, увеличения плотности дислокаций и сдвигов одной части кристалла по отношению к другой по дислокационной схеме (см. рис. 36). При сдвигах делятся на части блоки кристаллической решетки внутри зерен (дробятся блоки мозаики), зерна становятся вытянутыми, ориентированными в направлении деформации. Чем больше была степень пластической деформации, тем более высокое сопротивление будет оказывать металл при воздействии на него внешних сил, тем выше будут его предел текучести, предел прочности и твердость при одновременном снижении пластичности и вязкости (рис.44).
Рекристаллизация – явление укрупнения зерен микроструктуры при нагреве стали после наклепа. После пластической деформации металл находится в неустойчивом состоянии из-за искажения его кристаллической структуры. Поэтому в нем самопроизвольно должны произойти явления, возвращающие металл в структурно более устойчивое состояние с течением времени. Нагрев наклепанного металла приводит к ускорению протекания этих процессов.
Рис 43. График зависимости растягивающих напряжений σ стали от вызываемой ими деформации δ при последовательном нагружении и разгружении
Рис. 44. График изменения механических свойств стали с содержанием 0,27 % углерода в зависимости от степени пластической деформации:
σв - временное сопротивление, σ0,2 - предел текучести; σпц - предел пропорциональности; δ – относительное удлинение; ψ – относительное поперечное сужение; НВ - Твердость по Бринеллю
При небольшом нагреве (для железа температура 300-400 °С) происходит снятие искаженной решетки в результате незначительного перемещения атомов. Этот процесс называется возвратом или отдыхом металла. Причем твердость и прочность металла несколько понижаются (на 20-30 %), а пластичность возрастает, но изменения микроструктуры не происходит. При более высоком нагреве атомы металла приобретают способность к значительным перемещениям, что приводит уже к резкому изменению его микроструктуры (рост зерен) и механических свойств (рис. 45). Минимальная температура, при которой резко начинают изменяться микроструктура и свойства пластически деформированного металла, называется температурой рекристаллизации.
Рис. 45. График изменения микроструктуры (а) и механических свойств стали (б) при нагреве металла после наклепа
Процесс рекристаллизации протекает в два этапа:
первичная рекристаллизация при минимальной температуре, когда мелкие зерна, вытянутые вследствие пластической деформации, превращаются в беспорядочно ориентированные зерна округлой формы;
вторичная (собирательная) рекристаллизация при более высокой температуре, заключающаяся в увеличении размеров отдельных зерен за счет мелких.
Окончательный размер кристаллов зависит не только от температуры процесса, времени выдержки, но и степени деформации.
Для изготовления газонефтепроводов, резервуаров, газгольдеров и других строительных конструкций сталь поступает в основном в горячекатаном состоянии и всегда имеет в той или иной степени следы остаточной пластической деформации. Далее этот металл подвергают холодной деформации методами вальцевания, рулонирования и другими при изготовлении заготовок шаровых и цилиндрических резервуаров; методами вытяжки, волочения или обжатия при изготовлении арматурной стали и тд. При этом неизбежно происходит изменение структуры и свойств вследствие механической деформации.
С учетом явлений наклепа и рекристаллизации в производстве заготовок для резервуаров и других строительных конструкций регламентируют, например, допускаемые радиусы изгиба в зависимости от размеров изготовляемых изделий, а также ограничивают степень полосчатости стали, поставляемой с металлургических заводов, контролируют размеры зерна в зоне термического влияния сварных швов конструкций по шкале микроструктур и т.д.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. По каким признакам классифицируют сталь для строительных конструкций?
2. Что такое кипящая, спокойная и полуспокойная сталь?
3. По каким признакам характеризуется качество стали? На какие виды делится сталь по качеству?
4. Какие неметаллические включения присутствуют в стали и как оценивается их наличие?
5. Дать понятие об углеродистой стали. На какие виды подразделяют ее в зависимости от содержания углерода?
6. Дать понятие о легированной стали. На какие виды подразделяют ее в зависимости от количества легирующих элементов?
7. Что характеризуют механические свойства стали? Дайте понятие о показателях прочности, твердости, пластичности, ударной вязкости, усталости?
8. Что характеризуют технологические свойства? Какими видами испытаний их. определяют?
9. Что такое наклеп? Его влияние на структуру и свойства стали?
10. Что такое рекристаллизация стали? Как изменяются структура и свойства стали на различных стадиях рекристаллизации?
11. Дать понятие о хрупком и вязком разрушении стали.
12. Что такое сопротивление стали хрупкому и вязкому разрушению? Дать математическое выражение оценки хрупкого и вязкого разрушения.
13. Какие факторы влияют на склонность стали к хрупкому разрушению?
14. Какие методы оценки склонности стали к хрупкому разрушению Вы знаете? Их особенности и применение?
15. Что такое старение стали? Какой применяют метод оценки склонности стали к старению?
Глава 3