И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ
2.1 Цель работы: выяснить влияние холодной пластической деформации и последующего нагрева на структуру и свойства стали стали.
2.2 Задание
2.2.1 Используя рекомендуемую литературу [1,2] и методические указания [4], изучить изменение механических, физических свойств металлов и сплавов при наклепе, возврате и рекристаллизации.
2.2.2 Изучить влияние пластической деформации на микроструктуру стали.
2.2.3 Изучить влияние отжига на твердость и микроструктуру стали.
2.2.4 Построить графики зависимостей твердости от температуры отжига, определить температуры начала и конца рекристаллизации.
2.2.5 Ответить на индивидуальный вопрос
2.2.6 Составить отчет.
2.3 Основные положения
Металл, подвергнутый действию внешних усилий, деформируется сначала упруго, а затем пластически. При пластической деформации атомы перемещаются на большие расстояния, что вызывает остаточные изменения формы. После снятия нагрузки тело не восстанавливает своей прежней формы, структуры и свойств. Пластическая деформация, вызывая искажение кристаллической решетки, дробление блоков мозаичной структуры, изменяя форму зерен и образуя текстуру, приводит к изменению свойств металлов и сплавов. При пластической деформации повышаются прочностные характеристики (твердость, sВ, st) и уменьшаются пластичность (d, y) и вязкость (КСИ).
Упрочнение металлов или сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой или наклепом. Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования: после 40%-ной деформации механические свойства изменяются незначительно. Путем наклепа, например, удается повысить твердость и предел прочности в 1,5…3 раза, а предел текучести в 3…7 раз. Явление наклепа объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций; вакансий, межузельных атомов). Все дефекты затрудняют движение дислокаций, а значит повышают сопротивление деформаций и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение.
В процессе пластической деформации изменяются и физические свойства металлов и сплавов – уменьшается плотность, сопротивление коррозии, магнитная проницаемость и повышаются электросопротивление, коэрцитивная сила.
Пластически деформированный металл, по сравнению с недеформированным, будет находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии. Для возвращения металла в стабильное состояние необходимо создать условия для активного перемещения атомов в исходные равновесные положения. Этому способствует повышение температуры.
Процессы, происходящие при нагреве упрочненного деформацией металла и сплава, подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизация. Возврат происходит при нагреве до сравнительно низких температур, характеризуется снятием микронапряжений II рода, и частично снимаются искажения кристаллической решетки (напряжения III рода). В процессе возврата различают две стадии: отдых и полигонизацию.
Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов (вакансий) и перераспределяются дислокации без образования новых субграниц.
Вторая стадия возврата – полигонизация, под которой понимают дробление границами. Полигонизация протекает после небольших деформаций. В процессе возврата происходит снятие упругих искажений решетки, практически восстанавливаются физические свойства. Механические свойства и микроструктура металлов и сплавов изменяются незначительно.
При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает, и при достижении определенной температуры появляется новое зерно, размеры которого существенно отличаются от исходного. Образование новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется первичной рекристаллизацией. Однако пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превосходила бы определенную минимальную величину, называемую критической степенью деформации (eкр). Если степень деформации меньше критической, то зарождение новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации eкр невелика: eкр для железа – (5-6)%; для малоуглеродистой стали – (7-15)%: для меди – около 5%; для алюминия – около (2-3)%. В результате рекристаллизации наклеп практически полностью снимается и свойства приближаются к их исходным значениям.
Наименьшая температура начала рекристаллизации (Трекр), при которой происходит разупрочнение металла, называется температурным порогом рекристаллизации. Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного сплава она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации. Температурный порог рекристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или меньше величина зерна до деформации. Минимальная температура рекристаллизации Трекр составляет некоторую долю от температуры плавления металла Тпл:
Трекр = К × Тпл (2.1)
Коэффициент К для чистых металлов равен 0,2…0,4, для сплавов 0,6…0,8. Температуру начала первичной рекристаллизации ( 
) определяют различными методами (рентгеновским, микроструктурным, по механическим свойствам). Ориентировочно можно определить по резкому падению механических характеристик деформированного металла от температуры отжига, а температура окончания рекристаллизации 
связана с полным разупрочнением металла (рис. 2.1). Для железа и низкоуглеродистой стали температура рекристаллизации обычно принимается равной 650…7000 С.
Рис. 2.1. Изменение механических свойств наклепанного железа в зависимости от температуры отжига
При завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен. Это явление называется собирательной рекристаллизацией. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура, тем более крупным окажутся рекристаллизованные зерна, тем ниже будет пластичность металлов и сплавов.
Знание описанных выше процессов необходимо при проведении холодной или горячей пластической деформации в промышленных условиях, а также для объяснения результатов, полученных при выполнении настоящей лабораторной работы.
2.4 Порядок выполнения работы
Студенты для проведения экспериментов получают образцы из стали марок сталь 10, сталь 20 или из технического железа, предварительно пластически деформированных со степенями обжатия 10, 20, 30…70%.
Измеряют твердость на приборе ТК – 2 (шкала HRB, HRC) для каждого образца не менее трех раз. Микроструктуру стали изучают на шлифах, при увеличении х500. В качестве травителя применяют 4%-ный раствор HNO3 в спирте. Затем холоднодеформированные образцы нагревают до температур 400, 450, 500, 550,…, 8000 С, выдерживают 30 мин и охлаждают на воздухе.
Микроструктуру стали в исходном состоянии после деформации и отжига зарисовывают в отчете, а результаты измерения твердости заносят в табл. 2.1. Затем строят график зависимости твердости от температуры отжига и определяют температуры начала и конца рекристаллизации.
Таблица 2.1
Результаты исследования
| Марка стали | Степень деформации, % | Твердость | Температура отжига, 0С | Твердость, HRB | ||||
| в исходном состоянии HRB | После деформации HRC | А1 | А2 | А3 | Аср | |||
Примечание. Для каждой марки стали или степени деформации составляется своя таблица.
2.5 Отчет о работе
2.5.1 Название работы, цель и задание.
2.5.2 Таблица 2.1 с экспериментальными данными.
2.5.3 График зависимости твердости от температуры отжига.
2.5.4 Микроструктуры образцов после деформации и отжига.
2.5.5 Выводы и объяснения по графику и рисункам.
2.5.6 Ответ на индивидуальный вопрос.
2.6 Контрольные вопросы
1. Какие изменения происходят в микро- и субмикроструктуре металлов и сплавов при холодной пластической деформации?
2. Как изменяются механические, физические и химические свойства при наклепе?
3. Дать понятие температурного порога рекристаллизации и объяснить влияние различных факторов (степени деформации, чистоты металлов и др.)
4. Каково влияние степени деформации на процессы рекристаллизации?
5. Холодная и горячая деформация (дать определение).
6. Как изменяются механические, физические и химические свойства при рекристаллизации?
7. Пять этапов разупрочнения металлов.
8. Какие изменения происходят в микро- и субмикроструктуре металлов и сплавов при рекристаллизации?
9. Каковы основные параметры первичной рекристаллизации металлов?
10. В основе какого вида термической обработки находится первичная рекристаллизация?
11. Каковы механизмы пластической деформации металлов и сплавов?
12. Движущая сила первичной рекристаллизации металлов.
Лабораторная работа №3.