Наклеп, возврат и рекристаллизация. Теоретическая и техническая прочность

Теоретическая и техническая прочность

Лекция №3

1. Теоретическая и техническая прочность
2. Пластическая деформация металлов.
3. Наклеп, возврат и рекристаллизация.
4. Холодная и горячая деформация
5. Сверхпластичность.

Теоретически прочность железа должна составлять 130000 МПа, а фактически она равна 250 МПа. Это связано с тем, что деформация осуществляется не одновременным смещением плоскостей атомов, а постепенным перемещением дислокаций. В результате своей трансформации она выходит на поверхность кристалла и исчезает. При ограниченной плотности искажений кристаллической решетки сдвиг происходит тем легче, чем больше дислокаций в объеме металла. Они могут воздействовать друг на друга, вызывая взаимное уничтожение себя самих. Чем выше плотность дислокаций, тем больше затруднено их движение. В результате требуется приложение большей нагрузки, что вызывает упрочнение металла. Увеличение стойкости можно вызвать наклепом, термической и термомеханической обработкой.

Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Упрочняющее или ослабляющее действие дефектов кристаллической решетки зависит от их количества. Существует два пути упрочнения металлических материалов:

1) Создание идеальных бездефектных кристаллов (левая ветвь графика – теоретическая)

2) Увеличение плотности дислокаций (правая ветвь) – практически реализуемая прочность..

Рис.1.

2. Пластическая деформация металлов.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяют на упругие и пластические.

Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения ионов металлов от положений равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями катионов металла. В основе пластических деформаций лежат необратимые смещения ионов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. При пластической деформации линейная связь между напряжением и деформацией обычно отсутствует. Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью.

Результатом пластического деформирования является смещение одной части кристалла относительно другой. Пластическая деформация твердых тел в основном осуществляется скольжением. Скольжение или смещение отдельных частей кристалла совершается под действием касательных напряжений. Оно осуществляется в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Металлы, имеющие большое количество таких плоскостей и направлений (с кубической кристаллической решеткой), являются наиболее пластичными. Кристаллическая решетка ГПУ обладает низкими пластическими свойствами.

Расчетные и экспериментальные значения по касательным напряжениям, отвечающим началу пластической деформации твердого тела, значительно расходятся. При этом исходят из предпосылки, что процесс скольжения осуществляется одновременным смещением всех атомов одной кристаллографической плоскости относительно атомов смежной, параллельной плоскости.

Предположение о смещении только группы атомов данной плоскости получило экспериментальное подтверждение. Пластическая деформация осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Для перемещения дислокации из положения 1 в положение 2 требуется лишь незначительное перемещение отдельных атомов. Так дислокация пройдет всю плоскость скольжения и выйдет на поверхность зерна в виде ступеньки.

Рис.2 Механизм пластической деформации.

Процесс пластической деформации металлов сопровождается ростом числа дефектов кристаллической решетки, искривлениями плоскостей скольжения, появлением обломков кристаллитов в плоскостях скольжения, структурными превращениями по плоскостям скольжения и другие. Все это препятствует перемещению дислокаций, способствует их накоплению и взаимодействием друг с другом. В результате металл упрочняется. Явление деформационного упрочнения металла под действием пластической деформации называется наклепом. Упрочнение сопровождается снижением пластичности металла. Чем больше степень пластической деформации, тем выше прочность и ниже пластичность. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой.

При больших степенях деформации зерна металла вытягиваются в направлении действия приложенных сил. При этом образуется волокнистая структура. Еще большая степень деформации приводит к возникновению текстуры деформации, которая характеризуется определенной ориентацией зерен по отношению к прилагаемым нагрузкам. Волокнистая структура и текстура деформации приводят к анизотропии.

Металл, подвергнутый пластическому деформированию, характеризуется термодинамически неустойчивым состоянием. Нагрев может вернуть ему исходные свойства. Если температура нагрева меньше 0,2…0,3 температуры плавления, то протекает процесс возврата. При этом улучшаются структурное состояние и пластичность металла, а так же уменьшается плотность дислокаций, но наклеп неснимается и механические свойства практически не меняются. В процессе возврата различают две стадии. Первая фаза именуется от­дыхом и наблюдается при невысоком нагреве (ниже 0,2 Тпл). При нем проис­ходит снижение количества вакансий, уменьшение плотности дислокаций и частичное снятие напряжений. Вторая ступень – полигонизация, деление зе­рен на части - полигоны (субзерна) размером 10-6 - 10-4 см. Она осуществля­ется в результате скольжения и переползания дислокаций, вследствие чего искажения одного знака образуют стенки, разделяющие зерна на полигоны (многоугольники), свободные от дислокаций (рис. 7.4). Полигонизация реализуется при нагреве до температур 0,25 - 0,30 Тпл.

В полигонизованном состоянии кристалл обладает меньшей энергией по сравнению с деформированным, поэтому образование полигонов является энергетически выгодным процессом. Скорость его зависит от природы металла, степени предшествующей деформации, содержания примесей и т. д.

По правилу А.А.Бочвара при температуре нагрева около 0,4 температуры плавления в металле происходит процесс рекристаллизации, при котором почти полностью снимается наклеп.

Трек= 0,4 Тпл

Вследствие тепловой активности атомов образуются новые равноосные зерна. Процесс рекристаллизации протекает в две стадии: первичную и собирательную.

Первичная рекристаллизация заключается в формировании зародышей с неискаженной кристаллической решеткой и их взрослении. Количество зерен постепенно увеличивается и, в конечном итоге, в структуре не остается старых деформированных. Движущей силой данного процесса является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Находящийся в неустойчивом состоянии деформированный металл стремится перейти в более устойчивое положение с наименьшим запасом свободной энергии. Ему соответствует процесс создания все новых зерен с неискаженной решеткой.

Собирательная рекристаллизация – рост образовавшихся на первой ста­дии структурных единиц. Движущей силой ее является поверхностная энергия зерен. Увеличение их числа объясняется тем, что при наличии большой концентрации мелких составляющих их суммарная поверхность очень велика, и поэтому металл обладает большим запасом поверхностной энергии. В процессе укрупнения зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние. Особенность данного вида рекристаллизации заключается в том, что рост зерен осуществляется не в результате слияния нескольких мелких частиц в одну более крупную, а они увеличиваются за счет других, поглощая их вследствие трансформации атомов через границы раздела. Зерно на одном участке может вытягиваться за счет соседа, а на другом поглощаться другим, находящимся рядом с ним. Такая рекристаллизация может совершаться и до полного ее завершения.

Новые зерна обладают меньшей плотностью дислокаций, имеют неискаженную кристаллическую решетку. Поэтому после рекристаллизации свойства металла возвращаются к исходным свойствам. При рекристаллизации существенно снижаются прочностные характеристики, пластичность возрастает, снимаются внутренние напряжения.

Основными факторами, определяющими величину зерен при рекри­сталлизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной пластической деформации. Чем выше температура нагрева, тем больше размер зерна. Такой же характер имеет зависимость величины семян от времени процесса.

Наиболее крупные зерна формируются после незначительной предварительной деформации, составляющей около 3 – 15 %. Ее называют критической. Практически температура рекристаллизационного отжига малоуглеродистых сталей обычно лежит в интервалах 600 – 700 °С, латуней и бронз – 500 – 700 °С, алюминиевых и титановых сплавов – 350 – 450 и 550 – 750 °С соответственно.

4.Холодная и горячая деформация. Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. Процесс холодной деформации сопровождается наклепом металла, так как малые температуры не обеспечивают разупрочнения металлов. Механические свойства металлов при холодной деформации изменяются значительно: возрастает прочность и уменьшается пластичность.

Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей. Получаемое в процессе горячей деформации упрочнение тут же полностью или частично снимается за счет рекристаллизации, что снижает сопротивление деформации и повышает пластичность металлов.

Вопросы для самостоятельной работы. Деформация металлов – основные понятия, деформационное упрочнение и рекристаллизация металлов при нагреве.

Литература: Материаловедение. (Под общей ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина) 3-е изд. переработанное и дополненное. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.

5. Сверхпластичность.

Сверхпластичностью называют способность металлов и сплавов к значительной равномерной деформации, при которой относительное удлинение достигает сотен и тысяч процентов. Для того, чтобы сплавы приобрели сверхпластичность, необходимо получить ультрамелкозернистую структуру. Такое структурное состояние достигается путем соответствующей термической обработки. Используя эффект сверхпластичности можно при небольших усилиях осуществить большие деформации. При этом возможно использование оборудование меньшей мощности. Сверхпластичность позволяет проводить обработку давлением труднодеформируемых сплавов. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Недостатком ее является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформации

Вопросы для самостоятельной работы. Деформация металлов – основные понятия, деформационное упрочнение и рекристаллизация металлов при нагреве. Литература: Материаловедение. (Под общей ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина) 3-е изд. переработанное и дополненное. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.

Контрольные вопросы

1. Что такое наклеп, возврат и рекристаллизация?
2. К какому виду деформации – холодной или горячей – следует отнести деформацию олова при комнатной температуре?
3. Как влияет величина зерна на свойства металла?
4. На чем основаны современные способы упрочнения металлов и сплавов?
5. Как на практике используется явление сверхпластичности?

Дата добавления: 2014-01-11