Контрольная работа по материаловедению

При рекристаллизации в  деформируемом металле образуются центры рекристаллизации, вокруг которых растут новые зерна взамен деформированных, а металл приобретает равноосную неориентированную структуру. Скорость рекристаллизации с повышением температуры возрастает. Температура рекристаллизации имеет большое практическое значение. Во-первых, для того чтобы восстановить структуру и свойства исходного металла, его необходимо нагреть до температуры, превышающей температуру рекристаллизации, а затем охладить по определенному режиму. Во-вторых, пластическая деформация при температуре выше температуры рекристаллизации, хотя и протекает с образованием сдвигов, вызывающих упрочнение, но упрочнение будет немедленно устраняться протекающим при этих температурах процессом рекристаллизации. Следовательно, при пластической деформации выше температуры рекристаллизации упрочнения не произойдет. Горячая обработка стали осуществляется при температурах, лежащих выше линии GSK (см. рис. 1), т. е. когда сталь имеет аустенитную структуру (доэвтектоидная) или аустенит плюс цементит (заэвтектоидная).

Ковка стального слитка изменяет первичное дендритное строение металла. Происходит вытягивание и ориентация кристаллов и межкристаллического вещества, содержащего неметаллические включения, расположенные по границам кристаллов, в направлении наиболее интенсивного течения металла. В результате образуется вторичная волокнистая макроструктура.

Волокнистая макроструктура, полученная горячей обработкой давлением, является устойчивой, она не может  быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением (рис. 3). Обработкой давлением можно изменить только направление волокон.

Рис. 3. Макроструктура стали: а — после горячей деформации; б — литой

 

Горячая обработка давлением  оказывает заметное влияние на следующие  механические характеристики стали: удельное ударное сопротивление αк, поперечное сужение φ, относительное удлинение δ и предел усталости σ-1. Эти механические свойства в продольных (вдоль волокна) образцах с повышением степени уковки (Степенью уковки называют отношение первоначальной площади сечения заготовки F0 к последующей F (после ковки)) до 10 растут, после чего остаются стабильными. В поперечных же образцах с увеличением степени уковки упомянутые характеристики, как правило, падают.

После горячей обработки  давлением анизотропия стали выражается в неодинаковых механических качествах: вдоль волокон механические качества лучше, в поперечном — хуже. Например, вырезанные из одного прокатаного прутка стальные образцы, взятые в продольном направлении, показали удельную ударную вязкость 13,5 кГм/см2, а взятые в поперечном — 1,3 кГм/см2. Однако чем меньше в металле примесей (фосфор, сера, закись железа, неметаллические включения), тем меньше отличаются механические свойства поперечного образца от продольного.

Неполной горячей обработкой называют такую обработку, в процессе которой рекристаллизация проходит неполностью. Металл по окончании обработки имеет неодинаковые механические свойства как в поперечном, так и в продольном направлении.

Неполная горячая обработка  ведет к получению неоднородной структуры и понижению механических качеств, поэтому в производстве применяется редко. К этому следует добавить, что продукция, полученная при неполной горячей обработке может иметь значительные по величине остаточные напряжения, могущие при недостаточной пластичности вызвать разрушение металла. Обычно неполная горячая обработка стали производится при температурах, лежащих ниже линии GSK (см. рис. 1).

Холодной обработкой называют такую обработку, которая  сопровождается упрочнением металла. Эта обработка протекает при температурах ниже температуры начала неполного горячего деформирования. Признаками упрочнения является вытянутая форма зерен с ориентировкой их в направлении наибольшей деформации.

Холодная обработка  повышает предел прочности σδ, предел текучести σт и твердость металла НВ при одновременном снижении относительного удлинения δ, поперечного сужения φ и удельного ударного сопротивления αк. Чем выше степень деформации (Степень деформации определяется отношением F0-F1/F0ּ100%, где F0 — площадь поперечного сечения образца до деформации; F1 — то же после деформации.), тем больше изменяются механические характеристики.

Если от получаемой продукции  не требуются повышенные ударное  сопротивление или относительное  удлинение, то холодная обработка давлением  является наиболее желательной.

Теплопроводность, электропроводность и магнитная проницаемость в  результате упомянутых обработок уменьшаются. Также изменяются и другие физические свойства.

 

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому  состояние наклепа может сохраняться  неограниченно долго.

При повышении температуры  металла в процессе нагрева после  пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать  процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние  – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки.

Процесс частичного разупрочнения  и восстановления свойств называется

отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре

 

Т=(0.25-0.3)Тпл

 

Возврат уменьшает искажение  кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и  не препятствует образованию текстуры деформации.

Полигонизация – процесс  деления зерен на части: фрагменты, полигоны в

результате скольжения и переползания дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна  малоугловыми границами (рис. 4).

Рис. 4. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в

деформированном металле; б – дислокационные стенки после  полигонизации.

В полигонизированном состоянии  кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов  — процесс энергетически выгодный.

Процесс протекает при  небольших степенях пластической деформации. В

результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.5).

Границы полигонов мигрируют  в сторону большей объемной плотности  дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки  зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации).

Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис.6 а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.

Рис. 5. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойств

Рис. 6. Изменение структуры деформированного металла при нагреве

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность  атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация –  процесс зарождения и роста новых  недеформированных зерен при  нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким

изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

     1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной  рекристаллизации является энергия,

аккумулированная в  наклепанном металле. Система стремится  перейти в устойчивое состояние  с неискаженной кристаллической  решеткой.

     2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При  мелких зернах поверхность раздела  большая, поэтому имеется большой  запас поверхностной энергии.

При укрупнении зерен  общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

 

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления

Трек=аТпл

для металлов а=0.4

для твердых растворов  а=0.5-0.8

для металлов высокой  чистоты а=0.1-0.2

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t1 начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при

рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной  деформации (рис. 7).

Рис. 7 Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после

рекристаллизации

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением

времени выдержки зерна  также укрупняются. Наиболее крупные  зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.

Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых

сталей при температуре 600…700^oС, для латуней и бронз – 560…700^oС, для

алюминевых сплавов  – 350…450^oС, для титановых сплавов – 550…750^oС.

Таким образом, в процессе пластической деформации изменяются форма  исходной заготовки, структура обрабатываемого  металла, а следовательно, его механические и физические свойства. При соответствующей  технологии обработки давлением  можно получать не только заданную конструкцию детали, но и нужные механические свойства.

При конструировании  деталей и разработке технологии их изготовления с применением обработки  давлением необходимо учитывать  волокнистую структуру, влияющую на механические качества металла. Направление максимальных нормальных (растягивающих и сжимающих) напряжений, возникающих при работе деталей, должно совпадать с направлением волокон, а направление максимальных касательных (на срез, сдвиг) напряжений должно быть им перпендикулярно. Волокна, полученные при обработке давлением, должны огибать контур детали, а не перерезаться.

Для пояснения приведем два примера. Ведущая шестерня трактора С-80, полученная резанием из прокатной  заготовки (рис. 8, а), имеет неудовлетворительное расположение волокон и утолщенном сечении, поэтому зуб шестерни будет непрочным. Изготовление шестерни высадкой из прутка диаметром, равным минимальному диаметру концевой части (рис. 8, б), позволяет получить поковку с благоприятным расположением волокон. Зуб такой шестерни будет обладать повышенной прочностью.

 

Рис. 8. Схемы макроструктуры: а — ведущей шестерни трактора С-80, изготовленной резанием из прокатанной заготовки; б — высадкой из прутка; в — не правильно и г — правильно изготовленного крюка.

 

Крюк, изготовленный из короткой прокатанной заготовки, будет непрочным, так как волокна в нем расположены неправильно (рис. 8, в). При ковке крюка из заготовки с предварительной вытяжкой конца и последующей гибкой (рис. 8, г) достигается высокая прочность благодаря благоприятному расположению волокон.