Как влияет изменение структуры на свойства деформированного металла? В сем сущность и каково практическое применение наклепа?

Вариант №30.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Различают упругую деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, и пласти­ческую, которая остается после окончания действия приложен­ных сил.

При пластическом деформировании меняется не только внешняя форма металлического тела, но и его структура, а это влечет за собой изменение механических свойств. Под действием внешних усилий первоначально округлые зерна вытягиваются в направле­нии пластического течения и при больших степенях деформации могут принять форму волокон

а б

Рис. 1. Структура металла до деформации (а) и после (б)

Происходят изменения и во внутреннем строении каждого зер­на, которое представляет собой совокупность огромного числа элементарных кристаллических ячеек и содержит дефекты кристал­лического строения в виде вакансий, инородных атомов и дисло­кации. Наибольшее влияние на изменения в структуре и свойствах металлов оказывают дислокации. Пластическая деформация осущест­вляется путем скольжения одних атомных плоскостей относительно других, для чего затрачивается энергия внешних сил. Если в плоскости скольжения имеются дислокации, то затраты энергии на деформирование снижаются в десятки раз, т.к. благодаря им перескок огромного числа атомов, находящихся в плоскости скольжения, из своих узлов в соседние совершается не одновре­менно, а последовательно (эффект домино). Пластическое течение в этом случае осуществляется легко, пластичность металла высо­кая. В процессе деформирования происходит размножение дислока­ции за счет работы источников Франка-Рида, вследствие чего по­вышается их плотность ρ - суммарная длина дислокации в единице объема (см/см³). Если в отожженном металле плотность дислокации составляет ρ≈10⁶ – 10⁸ см^-2, то в холоднодеформированном при больших степенях деформаций она может дости­гать значения ρ= 10¹² см^-2. При такой плотности дислокациямстановится тесно, они блокируют друг друга и их подвижность многократно снижается. По этой причине снижается пластичность металла и растет его прочность (рис. 2).

Рис.2. Влияние пластической деформации на механические свойства сплава АМг5 (при t=20^вС)

Это явление получило название наклеп. При наклепе металл поглощает часть (10-15 %) энергии, затраченной на деформирование, становится энергетически более напряженным. Этим объясняется изменение его физических и химических свойств: понижение коррозионной стойкости, повышение электросопротив­ления.

Наклепанный металл термодинамически неустойчив, стремит­ся возвратиться в первоначальное, равновесное состояние, вос­становить свою структуру и свойства. При низких температурах (не более 0,1 Тпл) этот процесс затруднен и наклепанное состо­яние может сохраняться довольно долго.

При нагреве пластически деформированного металла сообща­емая ему тепловая энергия повышает амплитуду колебаний ато­мов, вследствие чего повышается их диффузионная подвижность. При невысоком нагреве (0, 2 - 0,3 Тпл) за счет активизации процессов самодиффузии происходит перераспределение точечных и линейных дефектов в каждом зерне. Часть из них перемещается на границы зерна, часть аннигилирует, а часть перестраивается, образуя дислокационные стенки, т. е. границы субзерен. Уменьшение общей плотности дефектов строения, снижение внутренних напряжений сопровождается незначительным (на 10 - 15 % от наклепанного) снижением прочностных свойств при одновременном повышении пластичности. Заметных изменений микроструктуры при таком нагреве не происходит (рис 3).

При более высоком нагреве (0,3 - 0,4 Тпл) поисходит рез­кое изменение микроструктуры и механических свойств. На базе вытянутых в направлении деформирования зерен (волокон) зарож­даются и вырастают новые равноосные зерна с меньшим количест­вом дефектов. Это явление носит название рекристаллизации. Размер рекристаллизованных зерен значительно зависит от степени предшествующей пластической деформации. Как видно на рис.4, он может оказаться больше или меньше первоначального. Объясняется это явление тем, что при малых (5 - 15%) деформациях возникает мало зародышей рекристал­лизации и зерна вырастают очень крупными. Такую степень дефор­мации называют критической (ε_кр). При дальнейшем увеличении степени деформации размер рекристаллизованных зерен умень­шается. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Мелкозернистый металл обладает повышенной прочностью и вязкостью (стойкостью к удару). Если степень деформации очень мала (меньше ε_кр), малы искажения решетки, исходные границы между зернами не разрушены и рекристаллизации не проис­ходит.

Во время рекристаллизации происходит снижение плотности дислокации до первоначального (10⁶ - 11⁸см^-2 ) уровня и высвобо­ждается накопленная в процессе холодной пластической деформа­ции энергия. Наклеп практически полностью снимается, и пластич­ность металла восстанавливается. Наименьшую темпе­ратуру начала рекристаллизации называют температур­ным порогом рекристаллизации. Для технически чистых металлов она составляет около 0, 4 Тпл, для очень чистых метал­лов до 0,1 - 0, 2 Тпл, а для сплавов возрастает до 0, 5 - 0, 6 Тпл. Чтобы обеспечить полноту снятия наклепа и высокую скорость процесса рекристаллизации, деформированный металл нагревают на 150 - 200 градусов выше порога рекристаллизации.

Если пластическую деформацию проводить выше порога рек­ристаллизации, то процессы наклепа и рекристаллизация будут протекать одновременно, в результате чего в деформированном металле остаточного наклепа может не быть. Такую деформацию называют горячей.

Рис.3. Схема изменения свойств и структуры наклепанного металла при нагреве:

I - возврат; П - первичная рекристаллизация;Ш - собирательная рекристаллизация; IV - вторичная рекристаллизация;

а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г - собирательная рекристаллизация; д - вторичная рекристаллизация

Рис.4. Влияние степени холодной деформаций на вели­чину зерна при рекристаллизации: α₀ - размер исходного зерна

Во время длительной выдержки при температуре выше порога рекристаллизации будет происходить рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Это явление носит название со­бирательной рекристаллизации, а его движущей силой является стремление металла как термодинамиче­ской системы, к снижению уровня зернограничной энергии. Круп­нозернистый металл имеет меньшую суммарную поверхность границ, чем мелкозернистый, поэтому и уровень свободной энергии у него меньше.

2. Начертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600 С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 5.4%С. Для заданного сплава определите при температуре 1250С:состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

При охлаждении сплава от точки 1 до точки 2 (исключительно) превращений не происходит. Начало кристаллизации сплава происходит в точке 2, лежащей на линии ликвидус, при этом в жидком растворе появляются кристаллы аустенита. При последующем понижении температуры (от точки 2 до точки 3) происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава. Состав кристаллов аустенита определяется линией солидус. Особенность первичной кристаллизации заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при 1147 оС (точка 3), когда жидкость концентрацией 4,3 % С образует две твердые фазы – аустенит (2,14 % С) и цементит (6,67 % С). Эта эвтектическая смесь зерен аустенита и цементита называется ледебуритом. После окончания первичной кристаллизации структура сплава состоит из первичных кристаллов аустенита и ледебурита. Наличие ледебурита делает сплав нековким, но обладающим высокими литейными свойствами.

При дальнейшем снижении температуры уменьшается растворимость углерода в аустените, и углерод выделяется из аустенита в виде вторичного цементита. Концентрация углерода в аустените изменяется в соответствии с положением линии ES (от 2,14 до 0,8 %). Структура сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.

При достижении температуры точки 4 аустенит претерпевает перлитное превращение.

Таким образом, при температуре ниже точки 4, ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита.

При построении кривой охлаждения используем правило фаз.
На кривой охлаждения сплава отрезок 1−2 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 2−3 − кристаллизации, а отрезок 3−5 − охлаждению твердого тела. Кристаллизация начинается в точке 2 (точка ликвидус) и протекает при переменной температуре, что согласуется с правилом фаз, так как число степеней свободы системы в этом случае равняется единице. В данном случае компонентов два (железо и углерод), число фаз равняется двум (жидкость и кристаллы аустенита) и, следовательно:

C2 = k – f + 1=2 – 2 + 1 = 1.
где С − число степеней свободы;
k – количество компонентов;
f – число фаз.
В точке 3 из оставшейся жидкости образуется ледебурит - эвтектическая смесь кристаллов аустенита и цементита. В данном случае компонентов два (железо и углерод), число фаз равняется трем (жидкость, кристаллы аустенита и цементита) и, следовательно:

C3 = k – f + 1=2 –3+ 1 = 0.
Одновременная кристаллизация аустенита и цементита должна протекать при постоянной температуре (отрезок 3−3׳), так как число степеней свободы равно нулю. Точка 3׳, соответствующая концу кристаллизации, называется точкой солидус.

Отрезок 3׳−4 соответствует охлаждению закристаллизовавшегося сплава, состоящего из аустенита, вторичного цементита и ледебурита (эвтектическая смесь аустенита и цементита), и, соответственно, число степеней свободы в этом интервале температур равно

C3׳ = k – f + 1=2 – 2 + 1 = 1.
В точке 4 (727 оС) начинается эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит (механическую смесь феррита и цементита). В этом случае омпонентов два (железо и углерод), число фаз равняется трем (аустенит, феррит и цементит) и, следовательно, число степеней свободы при этой температуре равно

С4 = k – f + 1=2 –3+ 1 = 0.
Так как число степеней свободы равно нулю, то образование перлита (отрезок 4−4׳) должно протекать при постоянной температуре. На отрезке 4׳−5 охлаждается сплав, состоящий из кристаллов перлита, ледебурита и вторичного цементита.

Сплав называется заэвтектическим чугуном.

Назначьте режим обработки шестерни из стали 20 ХГР с твердостью зуба, равной HRC58-62. Опишите микростуктуру и свойства поверхности зуба и сердцевины шестерни после термической обработки.

Сталь 20 ХГР используется для изготовления малонагруженных шестерен с высокой твердостью поверхности, где допускается невысокая прочность сердцевины, т. е. шестерни, работающей в условиях обычного износа и удара. Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности зуба) сталь 20 ХГР подвергают цементации на глубину 0,8-1,2 мм, закалке и последующему низкому отпуску. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом доэвтектоидной, эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита.

Принимаем ширину зубчатого венца шестерни равной 25 мм.

Термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920-950ºС на глубину 0,8-1,2 мм, продолжительность выдержки 8-10 часов. Механизированное термическое оборудование и автоматическая система контроля и регулирования углеродного потенциала в печи цементации позволяет нам на поверхности цементуемого слоя получить эвтектоидное насыщение углеродом. Структура слоя при температуре насыщения – аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата от поверхности к сердцевине – перлит перлит + феррит. Структура сердцевины при температуре насыщения – аустенит, после медленного охлаждения – феррит + перлит.

Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 600ºС, а затем нагревают под закалку до температуры 800-820ºС. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя. Температура AC3 для данной стали составляет 850ºС. Закалку для стали 20 производят в воде.

Охлаждение в воде заготовок шестерен обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки – мартенсит, структура сердцевины – сорбит-перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре 180-190ºС, выдерживая 2 – 2,5 ч, необходимых для прогрева детали по всему сечению и прохождения процессов сня­тия внутрен­них напряжений. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Атмосфера в печи при проведении низкого отпуска – воздух. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя – отпущенный мартенсит, структура сердцевины – низкоуглеродистый сорбит перлит + феррит.

Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC.

Механические свойства в сердцевине готового изделия: σТ=370 МПа, σВ=550 МПа, δ>18%, ψ>45%.

Для изготовления деталей самолета выбран сплав АМг3. Укажите состав сплава, опишите, каким способом производится упрочнение этого сплава, и объясните природу упрочнения. Укажите характеристики механи ческих свойств сплава.

АМг3 – алюминиевый деформируемый сплав, входит в группу Аl – Mg, состоит из алюминиевой основы, магния 0,3-0,6% и марганца 3,8% (механический свойства σВ = 220 МПа, σ0,2 = 110 МПа, δ = 20%).

Структура сплава АМг3 представляет собой только α-твердый раствор магния в алюминии. Для того чтобы повысить прочность и измельчить зерно, в эти сплавы добавляется марганец, который образует дисперсные частицы Al6Mn. Входя в кристаллическую решетку алюминия, атомы марганца и магния существенно повышают его прочность, снижая при этом пластичность.

Сплав низколегированный. Хорошо сваривается точечной, роликовой, газовой сваркой. Обрабатывается методом горячей или холодной деформации; коррозионная стойкость высокая. Интервал горячей деформации находится в пределах 340-430 °C, охлаждение после горячей деформации на воздухе.

Эффект от закалки и старения сплава невелик, вследствие этого сплав АМг3 используют в отожженном (мягком – М), реже – в нагартованном (Н – 80 % наклепа) и полунагартованном (П – 40 % наклепа) состояни ях. Резкое снижение пластичности в результате наклепа ограничивает при менение данного вида механической обработки.

При изготовлении профилей применяют два вида отжига: низкий при температуре 270-300 ° C и высокий при 360-420 ° C. Охлаждение после отжига на воздухе.

Сплав АМг3 применяют в средне и малонагруженных изделиях. В виде проволоки используется в сварных соединениях. В железнодорожном транспорте сплав АМг3 применяется для внешней и внутренней обшивки вагонов пассажирских и грузовых (для перевозки пищевых продуктов, минеральных удобрений и так далее), при изготовлении различных бензо - и маслотрубопроводов в самолетостроении и других летательных аппаратах, для изготовления сварных баков и деталей сварных конструкций средней прочности.