Влияние холодной пластической деформации и температуры рекристаллизации на структуру и свойства малоуглеродистой стали

Цель работы:

1. Изучить влияние пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали;

2. Изучить влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.

Приборы, материалы, инструменты:

1. электрические муфельные печи;

2. образцы из малоуглеродистой стали;

3. микрошлифы, изготовленные из той же стали, что и образцы до пластической деформации, после холодной пластической деформации на степень 50-70 % и после рекристаллизационного отжига при 500 и 700 ºС в течение 45 мин.;

4. твердомер ТК-2;

5. твердомер ТШ-2;

6. микроскоп металлографический.

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при минимальной массе.

Очень важное значение имеет пластичность, определяющая возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением, основанным на пластическом деформировании металла. Материалы с повышенной пластичностью менее чувствительны к концентраторам напряжений и другим факторам охрупчивания.

Деформацией называется изменение формы, размеров тела под действием напряжений. Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других процессов, протекающих в металле, связанных с изменением объема.

Процесс пластической деформации является основой обработки металлов. Пластическая деформация, каким бы способом она ни производилась (растяжение, сжатие, изгиб, прокатка, волочение и т.д.), вызывает искажение кристаллической решетки, изменяет форму зерен и структуру, приводит к изменению всех свойств металлов и сплавов.

Характеристики прочности (твердость, предел прочности) с увеличением степени пластической деформации растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают.

В процессе пластической деформации изменяются многие физические свойства: уменьшается удельный вес, сопротивляемость коррозии, магнитная проницаемость и т.д.

Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой, или наклепом.

Пластически деформированный металл по сравнению с недеформированным будет находиться в термодинамически неустойчивом состоянии. Поэтому даже при комнатных температурах в нагартованном материале протекают самопроизвольные процессы, приводящие деформированный металл в более устойчивое состояние, – например, процессы старения.

При повышенных температурах эти процессы протекают быстрее. При незначительном нагревании исчезают упругие искажения кристаллической решетки, что вызывает некоторое снижение прочности и повышение пластичности нагартованного материала. Структура при этом не изменяется.

Частичное восстановление механических свойств (на 20-30 %) за счет снятия упругих искажений кристаллической решетки без заметного изменения структуры называется отдыхом, или возвратом.

При более высоких температурах, определенных для каждого материала, начинается процесс образования новых зерен взамен волокнистой структуры. При этом происходит полное разупрочнение деформированного материала. Механические и физические свойства приобретают прежние значения. Этот процесс называется рекристаллизацией.

Температура рекристаллизации зависит от природы основного металла, наличия и количества легирующих элементов, степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, тем сильнее измельчается структура, тем меньше ее устойчивость, тем больше ее стремление принять устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации. При большей степени деформации для чистых металлов минимальная температура рекристаллизации . Для сплавов , где – абсолютная температура плавления.

Процессы рекристаллизации подчиняются общим законам кристаллизации, т.е. протекают путем возникновения новых зародышей (центров кристаллизации) и последующего их роста.

Процесс рекристаллизации связан с большой подвижностью атомов и требует для своего развития перемещения атомов от одного зерна к другому.

Та стадия рекристаллизации, при которой все деформированные зерна заменяются новыми стабильными, именуется рекристаллизацией обработки. При более высоких температурах начинается собирательная рекристаллизация, которая заключается в росте крупных зерен за счет поглощения мелких, термодинамически менее устойчивых зерен. Температура рекристаллизации имеет огромное практическое значение.

Чтобы пластическая деформация создавала в материале упрочнение (наклеп), она должна осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка называется холодной.

Если же обработка давлением осуществляется при температурах выше температуры рекристаллизации, то возникающее при деформации упрочнение будет сниматься процессом рекристаллизации, и материал разупрочняется. Такая обработка давлением называется горячей.

В результате горячей обработки давлением наклепа не возникает. Температуру горячей обработки давлением выбирают значительно выше температуры рекристаллизации, поскольку при практически применяемых скоростях деформации процесс рекристаллизации при низких температурах за короткое время не успевает устранять упрочнение, полученное в процессе обработки плавлением.

Величина зерна после рекристаллизации зависит от температуры рекристаллизационного отжига и степени предшествующей пластической деформации.

Чем выше температура рекристаллизационного отжига, тем больше величина зерна. При определенной степени деформации после рекристаллизационного отжига можно получить крупное зерно. Степень деформации, при которой получают крупное зерно процесса рекристаллизации, называется критической степенью деформации. Для большинства металлов и сплавов она составляет от 3 до 15 %.

Критической степени деформации следует избегать, так как она после рекристаллизационного отжига применяется для снятия наклепа, дает крупнозернистую структуру, обладающую пониженной ударной вязкостью.

Порядок выполнения работы:

1. Получить образцы из стали 10 у преподавателя.

2. Произвести холодную пластическую деформацию на приборе Бринелля путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10 мм с нагрузкой 187, 250, 500, 1000 и 2000 кг на одном образце и с нагрузкой 2000 кг – на четырех образцах.

3. Измерить твердость пластически деформированного на различную степень образца. Замер твердости производить с нагрузкой 100 кг на приборе Роквелла в центре каждого сферического отпечатка, а также измерить твердость недеформированной поверхности.

4. После пластической деформации с нагрузкой 2000 кг произвести отжиг образцов. Для этого заложить по одному образцу в печи, предварительно нагретые до 400, 550, 650, 750 ºС, на 45 мин. После выдержки замерить твердость в центре сферического опечатка на приборе Роквелла.

5. Результаты замера твердости образцов после пластической деформации и после проведения отжига записать в таблицу.

6. По данным таблицы построить график влияния холодной пластической деформации на твердость малоуглеродистой стали и график влияния температуры нагрева на твердость пластически деформированной малоуглеродистой стали.

7. Зарисовать структуру стали 10 до пластической деформации, после холодной пластической деформации и после рекристаллизационного отжига.

Вопросы для самопроверки:

8. Что называется пластической деформацией?

9. Как изменяются характеристики прочности с изменением степени пластической деформации?

10. Что называется наклепом, возвратом, отдыхом, рекристаллизацией?

11. Как влияет температура отжига на процесс кристаллизации?