Исследование пластической деформации стали

 

Цель работы: исследовать влияние пластической деформации и температуры нагрева деформированной стали на её структуру и свойства.

Приборы и оборудование: твердомер Роквелла ТК-2, металлографические микроскопы МИМ-7 или ЕС МЕТАМ РВ-22, комплект лабораторных образцов.

 

3.1. Краткие теоретические сведения

 

Вопросы пластической деформации металлов и сплавов являются одними из основных при разработке и реализации технологических процессов обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т. д.). Кроме того, во время эксплуатации машин и механизмов поверхности многих деталей также подвергаются деформациям, последствия которых часто нежелательны и требуют устранения.

Пластическая деформация металла – это последовательное массовое перемещение атомов по определенным плоскостям и направлениям кристаллической решётки под действием напряжений τ, когда эти напряжения достигают определённой критической величины.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием (рис. 3.1).

Скольжение – это смещение одной части кристалла относительно другой, которое происходит под действием касательных напряжений (рис. 3.1, а).

Двойникование сводится к переориентированию части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости А-А (рис. 3.1, б) называемой плоскостью двойникования.

 

 

а	б
Рис. 3.1. Схема пластической деформации металла: а – скольжением; б – двойникованием

 

Деформация вызывает изменение строения и свойств металлов и сплавов, так как зёрна поворачиваются и взаимно перемещаются по линиям скольжения. Кроме того, при значительном смещении наступает дробление зёрен. Измельчённые зерна вытягиваются по направлению деформации и образуют волокнистую структуру (рис. 3.2, б).

С увеличением деформации растут электросопротивление, прочность и твёрдость, но снижаются плотность, вязкость, пластичность. При этом чем больше степень деформации, тем существеннее изменяются свойства наклёпанного металла (наклёп – это упрочнение металла под действием пластической деформации). Однако после 40 %-ной деформации механические свойства изменяются уже незначительно в связи с тем, что предел текучести растёт быстрее предела прочности, и при значительной деформации эти величины становятся равными при отсутствии удлинения.

При помощи наклёпа твёрдость и прочность удаётся повысить в 1,5…3,0 раза, а предел текучести – в 3…7 раз, причём металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее (аустенитные стали). Наклёпанные металлы более активно вступают в химические реакции, легче подвергаются коррозии.

 

а	б
Рис. 3.2. Схема изменения формы зёрен металла: а – зёрна до деформации; б – зёрна после деформации

 

Пластическая деформация, создавая внутренние напряжения, придаёт металлу неустойчивое состояние. Для перехода в более устойчивое состояние деформированный металл необходимо нагреть до определённой температуры.

В зависимости от степени нагрева различают следующие рекристаллизационные процессы: возврат (отдых) металла, первичную рекристаллизацию, вторичную рекристаллизацию.

Возврат деформированного металла наступает при нагреве последнего до температуры Т_в = 0,3 Т_пл, где Т_пл – абсолютная температура плавления. При этом уменьшаются искажения кристаллической решётки, снижаются дополнительные напряжения и др., но признаки упрочнения деформированного металла проявляются, хотя и в меньшей степени.

Основную роль в устранении последствий деформации (разупрочнение наклёпанного металла) играет рекристаллизация, признаки которой появляются при нагреве до Т_рек = α Т_пл, где α – коэффициент, зависящий от чистоты металла. Чем выше чистота, тем ниже температура рекристаллизации. Так для металлов обычной технической чистоты α = 0,35…0,4. Температура Т_рек сплавов, как правило, выше Т_рек чистых металлов и в некоторых случаях достигает 0,8 Т_пл. И наоборот, очень чистые металлы имеют α = 0,1…0.2.

Из рис. 3.3 видно, что до начала рекристаллизации (температура Т₁) деформированное зерно сохраняется. При Т₁ в деформированных зёрнах образуются и растут зародыши новых зёрен. Следовательно, при нагреве наклёпанного металла старые зёрна не восстанавливаются, а появляются совершенно новые зёрна, размеры которых могут существенно отличаться от исходных. Такое образование новых зёрен вместо волокнистой структуры деформированного металла называется первичной рекристаллизацией. В результате рекристаллизации наклёп металла почти полностью снимается, а свойства приближаются к исходным значениям.

 

Рис. 3.3. Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла,
упрочнённого холодной пластической деформацией

 

При рекристаллизации (рис. 3.3) временное сопротивление разрыву σ_в, предел текучести σ_т резко снижаются, а пластичность δ возрастает. Наименьшая температура начала рекристаллизации Т₁, при которой протекает процесс перекристаллизации и происходит разупрочнение, называется температурным порогом рекристаллизации. Эта температура не является величиной постоянной и зависит от степени предварительной деформации, величины зерна, длительности нагрева и т. д.

После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева зародыши кристаллов растут, приходят во взаимное соприкосновение, и начинается рост одних зёрен за счёт других. Такой процесс называется собирательной рекристаллизацией.

Если какие-то из новых зёрен имеют предпочтительные условия для роста, то их можно рассматривать как новые зародышевые центры. Поэтому процесс получил название вторичной рекристаллизации. В результате этого в массе мелких зёрен имеется небольшое количество крупных (явление разнозернистости), что существенно снижает пластичность металла.

Таким образом, пластическая деформация и последующая рекристаллизация оказывают большое влияние на величину зерна, а соответственно и на свойства металла. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают повышенной прочностью и пластичностью. Однако иногда необходимо, чтобы металл имел крупное зерно (трансформаторные стали, техническое железо и др.). Величина зерна зависит от температуры рекристаллизационного отжига, его продолжительности, степени предварительной деформации, химического состава сплава, размера исходного зерна, наличия примесей и т. д.

При очень малых степенях деформации (3…15 %) нагрев не вызывает рекристаллизации, а ведет к резкому увеличению зерна, которое во много раз может превысить размеры исходного. Такую степень деформации называют критической.

Рекристаллизация, как указывалось выше, играет большую роль при обработке металлов и сплавов давлением, так как часто технологический процесс такой обработки предусматривает нагрев изделий до определённой температуры (горячая обработка). В этом случае деформирование металла должно быть законченно выше температуры рекристаллизации. Тогда при пластическом деформировании упрочнение и наклёп металла, если и произойдут, то будут немедленно сняты динамической рекристаллизацией при последующем охлаждении.

Холодная обработка давлением, которая осуществляется при температурах ниже Т₁, вызывает наклёп и изменение механических свойств металлов, для которых (в случае необходимости) требуется дополнительный нагрев для рекристаллизации.

Итак, при пластической деформации металлов и сплавов изменяются их строение и свойства. Если такие металлы после деформации подвергать нагреву, то твёрдость вначале понижается незначительно вследствие возврата. После нагрева до температуры, превышающей температуру рекристаллизации, твёрдость резко падает и достигает исходного значения.

Аналогично изменению твёрдости изменяются и другие свойства, такие как предел прочности, предел текучести, пластичность и др.

 

Порядок выполнения работы

 

Для изучения влияния пластической деформации и температуры нагрева деформированной стали на её структуру и свойства необходимо исследовать 6 образцов:

образец 1 – сталь Ст3, не деформированная;

образец 2 – сталь Ст3, деформированная на 30 % (ε = 30 %);

образец 3 – сталь Ст3, деформированная на 60 % (ε = 60 %);

образец 4 – сталь Ст3, деформированная на 60 % и отожжённая после деформации при температуре 200 ^оС;

образец 5 – сталь Ст3, деформированная на 60 % и отожжённая после деформации при температуре 750 ^оС;

образец 6 – сталь Ст3, деформированная на 60% и отожжённая после деформации при температуре 950 ^оС.

Работу необходимо проводить в такой последовательности:

1) на металлографическом микроскопе исследовать микроструктуру 1, 2 и 3-го образцов. Зарисовать микроструктуру;

2) на приборе Роквелла замерить твёрдость 1, 2 и 3-го образцов. Замер на каждом образце производить не менее трёх раз и определить среднюю величину из трёх измерений;

3) построить график зависимости твёрдости от степени деформации HRB = f(ε,%);

4) исследовать и зарисовать микроструктуру образцов 4, 5 и 6;

5) измерить твёрдость образцов 4, 5 и 6. Построить графическую зависимость твёрдости от степени нагрева HRB = f(T ^оC);

6) сделать выводы о наличии деформации и влияния температуры нагрева деформированной стали на её структуру и свойства. Определить в каком интервале температур находится порог рекристаллизации для исследуемой стали.

 

Содержание отчёта

 

1. Описание цели работы.

2. Краткие сведения из теории.

3. Таблицы результатов измерений твёрдости.

4. Рисунки микроструктур образцов.

5. Графики зависимостей HRB = f(ε,%) и HRB = f(T ^оC).

6. Выводы по работе.

3.4. Контрольные вопросы

 

1. Что называется наклёпом металла?

2. Как влияет наклёп на твёрдость металла?

3. Как влияет пластическая холодная деформация на пластичность металла?

4. Какова структура наклёпанного металла?

5. Как устранить наклёп?

6. Как влияет нагрев металла на структуру и свойства деформированного металла?

7. Что такое возврат?

8. Что называется рекристаллизацией?

9. Какова зависимость между температурами плавления и рекристаллизации?

10. Что называется критической степенью деформации?

 

Рекомендуемая литература [1–3, 6, 9].