Учебное пособие: Металлы и сплавы

Кратко рассмотрим эти особенности.

1. Нарушается линейная зависимость между напряжениями и деформациями при нагружении выше предела пропорциональности, так как упругая составляющая деформации в зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения относительно деформирующих сил и напряжений (в «слабых» зернах) меньше, чем в остальных («сильных»). «Слабые» зерна раньше начинают пластически деформироваться. «Сильные» зерна в это время продолжают деформироваться упруго. Это является причиной отклонения от закона Гука, появления внутренних напряжений (второго рода) при прекращении деформации при малых ее степенях, особого поведения деформированного металла при последующем нагреве (см. «Критическая степень деформации»).

2. Имеет место упругое последействие, суть которого состоит в том, что образец под постоянной нагрузкой, не превышающей предела текучести, с течением времени дополнительно деформируется и после снятия нагрузки получает некоторую остаточную деформацию, которая со временем уменьшается либо совсем исчезает. Под нагрузкой в благоприятно ориентированных зернах имеет место некоторая пластическая деформация, что и является причиной появления некоторой остаточной деформации на всем образце в целом. После снятия внешней нагрузки зерна с большой степенью упругой деформации, стремясь вернуться в исходное, недеформированное состояние, вызывают в пластически деформированных зернах деформацию обратного знака, обусловливающую уменьшение или полное исчезновение остаточной деформации в образце.

3. Происходит релаксация напряжений, т.е. уменьшение с течением времени уровня напряжений, соответствующих заданной величине упругой деформации. Причина все та же - в отдельных благоприятно ориентированных зернах имеет место незначительная по величине пластическая деформация, не влияющая на величину упругой деформации всего образца, но заметно уменьшающая общий уровень напряжений.

4. Наблюдается упругий гистерезис, когда линия нагружения на графике изменения усилия по деформации не совпадает с линией разгрузки, образуя петлю гистерезиса, площадь которой характеризует количество тепла, выделившегося при деформации образца. При нагрузке образца в благоприятно ориентированных зернах возникает некоторая пластическая деформация, которая проходит в обратном направлении после снятия нагрузки под воздействием упругодеформированных зерен, восстанавливающих свои исходные размеры и форму. Энергия, затраченная на пластическую деформацию при прямом и обратном нагружениях, эквивалентна теплоте, рассеянной в окружающее пространство. Именно эта энергия и характеризуется площадью петли гистерезиса, которая отсутствует при наличии только упругой деформации.

5. Наблюдается эффект Баушингера, который заключается в том, что в образце, деформированном за предел текучести, уменьшается сопротивление деформированию при последующей деформации обратного знака. Объясняется это явление следующим образом. Чтобы имела место даже незначительная пластическая деформация, необходимо осуществить упругую предварительную деформацию. После снятия нагрузки при прямом нагружении под воздействием упругодеформированных (до предельной величины) зерен, которые стремятся принять свои исходные размеры и форму, в соседних с ними зернах происходит упругая деформация обратного знака. И поэтому при приложении внешней нагрузки того же знака пластическая деформация в них начнется при меньшем уровне напряжений, в итоге снижается сопротивление деформированию. Таким образом, в предварительно растянутом образце деформация сжатия начнется при более низких напряжениях, чем при первоначальном растяжении.

Пластическая деформация и упрочнение металла

Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, которые условно можно разделить на три группы: 1) изменение формы и размеров зерен; 2) изменение кристаллографической и пространственной ориентировки зерен; 3) изменение внутреннего строения каждого зерна. В результате пластической деформации в деформированном металле резко возрастает плотность дислокаций и других дефектов кристаллической решетки, в результате чего увеличивается потенциальная энергия металла.

С термодинамической точки зрения система «деформированный металл» находится в термодинамически нестабильном состоянии, поскольку имеет повышенный уровень энергии. По второму закону термодинамики такая система будет стремиться уменьшить свою энергию и вернуться к состоянию устойчивого равновесия.

Если в процессе пластической деформации отсутствуют благоприятные условия для процессов диффузии, стремящихся перевести деформированный металл в равновесное состояние с минимальным уровнем потенциальной энергии, то наблюдается холодная пластическая деформация, которая сопровождается наклепом металла.

Наклеп, или нагартовка - это совокупность структурных изменений, приводящих к изменению механических, физических и химических свойств пластически деформированного металла. В обработке металлов давлением укоренилось определение «наклепа» как повышение прочности и твердости деформированного металла при одновременном снижении пластичности. Это упрочнение является следствием тех структурных изменений, которые возникают в металле при его пластической деформации.

При разгрузке поликристалла после пластического формоизменения наблюдаются сложные явления. Наиболее существенным из них является возникновение остаточных напряжений, которые подразделяются (условно) на три рода.

Напряжения первого рода - остаточные напряжения, которые образуются силами, уравновешивающимися между отдельными частями твердого тела.

Напряжения второго рода образуются силами, уравновешивающимися между отдельными зернами поликристалла.

Упругая составляющая деформации в зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения («слабых») меньше, чем в остальных («сильных»). При разгрузке упругое изменение размеров «сильных» зерен должно быть больше, чем «слабых», но изменения размеров тех и других зерен одинаковы вследствие полного восстановления размеров «сильных» и деформирования другого знака «слабых» зерен, что и обуславливает возникновение напряжений второго рода.

Напряжения третьего рода образуются между отдельными группами атомов (например между дислокациями).

Явление наклепа проявляется также в изменении физико-химических свойств деформированных металлов и сплавов. Например, при холодной пластической деформации ухудшаются теплопроводность и электропроводность, изменяются магнитные свойства ферромагнитных металлов и сплавов.

При холодной пластической деформации повышается химическая активность металла и снижается его коррозионная стойкость. Модуль упругости при наклепе металла изменяется незначительно, и обычно этим изменением пренебрегают. Холодная пластическая деформация обуславливает анизотропию механических свойств за счет образования волокнистой структуры (ориентация межзеренного вещества вдоль направления действия деформирующей силы) и текстуры деформации (преимущественная кристаллографическая ориентация зерен вдоль направления действия деформирующей силы) (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Сталь марки 08. Волокнистое строение (текстура), х150

Таким образом, после холодной пластической деформации деформированный металл находится в термодинамически нестабильном состоянии и поэтому самопроизвольно стремится перейти в равновесное состояние.

Влияние нагрева на свойства деформированных металлов и сплавов

При нагреве пластически деформированные металлы постепенно восстанавливают свою структуру и свойства и переходят в устойчивое состояние. Этот переход можно разбить на две стадии: возврат и рекристаллизацию.

Возврат наблюдается при относительно невысоких температурах нагрева (0,2Тпл, К ) и разделяется, в свою очередь, на две фазы: отдых и полигонизацию.

Отдых сопровождается диффузионным перемещением и аннигиляцией (взаимным уничтожением) точечных дефектов. При этом снимаются упругие искажения решетки и частично восстанавливаются физические свойства металла.

Полигонизация происходит при более высокой температуре и сопровождается изменениями в блочной структуре зерен за счет перераспределения и аннигиляции линейных дефектов – дислокаций. Это приводит к дальнейшему снятию упругих искажений решетки и более полному восстановлению физических свойств. Прочностные свойства при возврате не изменяются, а пластичность частично восстанавливается.

Рекристаллизация протекает вслед за возвратом при более высокой температуре, называемой температурой рекристаллизации. Эту температуру для технически чистых металлов можно приближенно определить по формуле А.А. Бочвара

Трекр = 0,4Тпл (К),

где Трекр – абсолютная минимальная температура рекристаллизации, К; Тпл – абсолютная температура плавления данного металла, К.

При увеличении количества примесей или при наличии в спла­ве легирующих элементов температура рекристаллизация возрастает.

Явление рекристаллизации заключается в том, что, начиная с определенных температур, благодаря интенсивному обмену атомов местами происходит зарождение и рост новых геометрически равноосных и энергетически равновесных зерен. Этот процесс протекает во времени и с тем большей скоростью, чем выше температура.

Рекристаллизация проходит в две стадии. На первой стадии (рекристаллизация обработки) происходит замена деформированной структуры на равноосную мелкозернистую недеформированную структуру. Размер зерна после правильно проведенной рекристаллизации обработки определяется количеством новых центров рекристаллизации, которое зависит от степени предварительной пластической деформации и повышается с увеличением последней.

Зарождение зерен с более совершенной структурой и рост их до взаимного соприкосновения при температуре выше температуры рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией, или рекристаллизацией обработки.

После рекристаллизации обработки наблюдается восстановление механических и пластических свойств металлов, причем механические свойства зависят от величины зерна. Таким образом, после первичной рекристаллизации полностью снимается наклеп и восстанавливаются исходные механические и физические свойства металлов и сплавов.

После завершения первичной рекристаллизации возможна вторая стадия процесса, которая называется собирательной рекристаллизацией.

Собирательная рекристаллизация – это рост одних зерен за счет других. Этот процесс наступает после рекристаллизации обработки при повышении температуры или увеличении времени выдержки в печи.

Термодинамическим стимулом роста зерен является уменьшение потенциальной энергии системы «деформированный металл», поскольку межзеренная поверхность раздела у металлов с крупнозернистой структурой меньше по сравнению с мелкозернистой, а следовательно, меньше и поверхностная энергия, являющаяся частью общей потенциальной энергии системы.

Собирательная рекристаллизация – процесс, как правило, нежелательный, так как металлы и сплавы с крупным зерном хуже работают при ударных и знакопеременных нагрузках, поэтому его следует избегать, заканчивая рекристаллизационный отжиг на этапе первичной рекристаллизации.

В деформированных металлах может наблюдаться еще вторичная рекристаллизация – это избирательный рост одних зерен за счет других в результате неодинаковой степени стабилизации их границ или в результате малых степеней деформации. Радикальный способ предупреждения вторичной рекристаллизации – это равномерное распределение примесей и других фаз по границам зерен, что лучше всего достигается металлургическим путем.

При малых степенях деформации «слабые» зерна деформируются пластически, а «сильные» - упруго. После завершения деформации в процессе последующей рекристаллизации упругая деформация в «сильных» зернах снимается и они практически становятся равновесными. Эти зерна при рекристаллизации сразу же начинают расти, присоединяя к себе бывшие «слабые» деформированные зерна. Так образуются очень крупные зерна при рекристаллизации. Этот процесс не исключает возможности образования новых центров рекристаллизации, как при первичной рекристаллизации, и вокруг этих центров образуется мелкое зерно.

Таким образом, при вторичной рекристаллизации образуется очень крупное и неравномерное по величине зерно.

Установлено, что величина зерна рекристаллизованного металла зависит от температуры нагрева и степени предшествующей пластической деформации (рис. 4.5). Степень деформации, после которой в результате последующего рекристаллизационного отжига образуется очень крупное и неравномерное по величине зерно, называется критической степенью деформации eкр.

Рис. 4.5. Влияние степени деформации e, %, на средний диаметр зерна dср после рекристаллизации.

Вторичная рекристаллизация наблюдается в различных металлах и сплавах после вполне определенных степеней деформации (для железа - 5…6%; для малолегированной стали - 7...15%; для меди - около 5%; для алюминия - 2...3%). При e>eкр количество центров рекристаллизации увеличивается, а величина зерна после рекристаллизации уменьшается.

Холодная и горячая обработка металлов давлением (деформация)

Описанный выше механизм формоизменения металлических монокристаллов и поликристаллов возможен только при определенных температурных условиях, при которых температура деформирования обычно ниже 0,3Тпл (К) (абсолютная температура плавления). При температурах деформирования выше 0,3Тпл (К) механизм пластической деформации усложняется такими явлениями, как возврат, рекристаллизация, изменение термической пластичности. На процессы деформирования большое влияние оказывает скорость деформирования, так как от нее зависят пластичность металлов и сплавов и степень протекания процессов возврата и рекристаллизации в процессе самой деформации и после нее.

Степень разупрочнения зависит исключительно от температурно-скоростных условий деформации. Действительно, степень разупрочнения, обусловленная возвратом и рекристаллизацией, для заданного сплава тем больше, чем выше температура деформации, чем меньше скорость деформации, чем больше тепловой эффект и, наконец, чем больше скорость разупрочняющих процессов. Чем больше время протекания этих процессов, т.е. чем меньше скорость деформирования, тем выше эффект разупрочнения.

1. Холодная обработка давлением осуществляется при температуре деформирования не только ниже температуры рекристаллизации, но и ниже температуры возврата, т.е. Tдеф < Tвозв .

В процессе деформирования отсутствуют возврат и рекристаллизация, поэтому эффект упрочнения при этом виде деформирования достаточно высок.

Таким образом, при холодной пластической деформации:

- образуется наклеп, материал существенно упрочняется, изменяются его физико-химические свойства, структура текстурирована;

- степень деформации ограничена, при ее превышении материал разрушается;

- требуются большие нагрузки (напряжения) и мощность оборудования.

Иногда холодная пластическая деформация используется как способ дополнительного упрочнения металлов и сплавов.

2. Горячая обработка давлением осуществляется при температурах значительно выше температуры рекристаллизации, т.е. Тдеф > >Трек .

Ввиду происходящей при горячей обработке рекристаллизации во всем объеме деформируемого металла наклеп образуется и сразу же снимается в процессе самой деформации, а неравномерность конечной структуры по деформируемому объему металла может быть следствием только нарушения режима охлаждения металла после окончания деформации.

Для горячей пластической деформации характерны:

- наклеп, образующийся при деформации, сразу же снимается в процессе деформации, если скорость деформации относительно невелика, и после деформации в деформированном металле наклеп отсутствует;

- отсутствие ограничений по степеням деформации, отсюда вытекает пословица «куй железо пока горячо»;

- меньший в 5 - 15 раз предел текучести металлов и сплавов по сравнению с холодной деформацией, поэтому для осуществления деформации не требуется приложения очень больших сил и напряжений, мощность оборудования значительно меньше, чем при холодной пластической деформации;

- оптимальное сочетание структуры и свойств деформированных металлов и сплавов, особенно заметно это проявляется после горячей обработки литых заготовок и полуфабрикатов.

Горячая обработка металлов давлением широко применяется для производства заготовок и полуфабрикатов (трубы, уголки, швеллеры, рельсы, листовой и профильный прокат и т.д.)

В теории обработки металлов давлением рассматриваются и другие виды обработки.

Неполная холодная обработка давлением осуществляется при температуре деформирования выше температуры возврата, но ниже температуры рекристаллизации, т.е. Tвозв < Tдеф < Tрек .

Вследствие возврата происходит значительное снятие остаточных напряжений, благодаря чему сопротивление деформированию несколько снижается, повышается пластичность и уменьшается степень упрочнения.

Неполная горячая обработка давлением осуществляется при температурах незначительно ниже температуры рекристаллизации, т.е. Tдеф £ Tрек . В случае неравномерного по тем или иным причинам распределения деформаций в деформируемом объеме и малой скорости рекристаллизации последняя не успевает произойти во всем деформируемом объеме, поэтому структура металла неоднородна как в процессе деформирования, так и после охлаждения металла до комнатной температуры. Неравномерность структуры обуславливает и неравномерность прочностных и пластических характеристик по объему деформируемого металла после деформации.

Задание и методические рекомендации

1. Изучить основные теоретические положения и кратко их изложить по предложенной форме.

2. Установить зависимость твердости и прочности образцов от степени пластической деформация. Для определения зависимости НRВ = f (e, %) необходимо:

а) зачистить напильником торцевые поверхности образцов в специальном приспособлении и измерить их начальную высоту h0, мм;

б) подвергнуть образцы деформации на ручном гидравлическом прессе (давление по манометру Р = 0, 50, 100, 150 кгс/см2, при площади поршня 30 см2 это соответствует усилиям 0, 1500, 3000 и 4500 кгс);

в) измерить высоту h образцов после деформации;

г) определить степень деформации

 ;

д) измерить твердость образцов (НRB) деформированных с раз­личной степенью деформации на твердомере Роквелла;

е) построить график зависимости НRВ = f (e, %). Сделать выводы.

3. Определить расчетным путем и экспериментально значения температуры начала рекристаллизации заданного сплава, сравнить их между собой:

а) рассчитать по формуле Бочвара температуру рекристаллизации для материала исследуемых образцов;

б) определить экспериментально температуру начала рекристаллизации. Для этого необходимо:

- зачистить напильником торцевые поверхности нескольких образцов в специальном приспособлении;

- подвергнуть деформации несколько образцов с одинаковой степенью деформации (давление по манометру Р = 150 кгс/см2), измерить твердость материала после деформации;

- выдержать в течение 30 мин образцы в печах с разной температурой (в интервале 100...700 °С), охладить образцы;

- измерить твердость образцов после нагрева, результаты занести в таблицу, построить график зависимости НRВ = f (t, °С). Начало резкого падения твердости соответствует температуре начала рекристаллизации. Записать экспериментальную температуру начала рекристаллизации, сравнить ее с расчетной, объяснить результаты.

4. Определить критическую степень деформации сплава:

а) на испытуемые образцы (6 штук) нанести риски, отметив ими базовую длину (от 50 до 100 мм);

б) продеформировать образцы со степенью деформации e = 0, 3, 6, 9, 12, 15%;

в) провести рекристаллизационный отжиг образцов в течение 30 мин (выбрав температуру по рекомендации преподавателя);

г) выявить зерно после рекристаллизационного отжига путем травления;

д) замерить средний диаметр зерна в зависимости от степени

предварительной пластической деформации, данные внести в таблицу;

е) построить график зависимости среднего диаметра зерна dср, мм, от степени пластической деформации e, %. Определить критическую степень деформации (критическая степень деформации соответствует максимуму величины зерна, см. рис. 4.5).

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой упругая и пластическая деформации металлов и сплавов?

2. Каков механизм пластической деформации путем скольжения и двойникования?

3. Как объяснить механизм скольжения в монокристаллах с точки зрения теории дислокаций?

4. Какие причины препятствуют перемещению дислокаций и объясняют природу упрочнения при пластической деформации?

5. Каковы особенности пластической деформации поликристаллических металлов и сплавов?

6. Какие изменения в структуре и свойствах металлов наблюдаются при пластической деформации? Что представляет собой наклеп, или нагартовка?

7. Как изменяются структура и свойства при нагреве деформированных металлов? Что представляет собой рекристаллизация, каковы ее виды?

8. Как можно определить температуру начала рекристаллизации?

9. Что называется критической степенью деформации?

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14