Вопросы по теории на тему «Влияние холодной пластической дефориации и последующего отжига на структуру и свойства металлов» по предмету Материаловедение в МГТУ им. Баумана.
1. Опишите механизм пластической деформации металлов и сплавов.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. В отличии от упругих деформаций, пластические не исчезают после окончания действия приложенных сил. В основе пластических деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.
При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов на пряжений.
2. Объясните, что такое наклеп и чем он вызывается. Нарисуйте и поясните зависимость прочности металла от плотности дефектов.
Металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называют наклепом.
В основе упрочнения металла при деформировании лежит прежде всего повышение плотности дислокаций.
Зависимость прочности металла от плотности дефектов.
Прочность металла зависит от плотности дефектов. Металлы интенсивно наклёпываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления.
3. Опишите характер изменения микроструктуры металла в процессе пластической деформации и приведите график изменения его основных свойств в зависимости от степени деформации.
Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации: а) — ε = 0%; б) — ε = 1%; в) — ε = 40%; г) — ε = 80-90%
С ростом деформации различия между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом.
Зависимость механических свойств от степени деформации.
4. Объясните на примере пластической деформации, почему прочностные свойства и пластичность металла имеют противоположный характер изменения.
При деформировании увеличиваются прочностные характеристики и понижаются пластичность и вязкость. С ростом деформации различия между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом. Прочность становится выше, а пластичность уменьшается.
5. Опишите структурные изменения, протекающие в деформированном металле при его нагреве. Явление возврата и его стадии. Отличительные особенности процессов первичной и собирательной рекристаллизации.
При нагреве происходит переход металла в более стабильное состояние. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их ко личества.
Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Тпл), рекристаллизация — при более высоких.
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются. Возврат подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.
Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; уменьшаются остаточные напряжения, удельное электрическое сопротивление и повышается плотность металла. В общем, твердость и прочность уменьшаются и соответственно увеличивается пластичность.
Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций. Приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности.
Первичная рекристаллизация 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. Собирательная рекристаллизация происходит при увеличении выдержки или температуры и заключается в самопроизвольном росте одних зерен за счет соседних путем их перемещения через границу раздела.
6. Нарисуйте график изменения основных свойств холоднодеформированного металла при нагреве и поясните характер влияния температуры.
Схемы изменения твердости (а) и пластичности (б) наклепанного металла при нагреве: I — возврат; II — первичная рекристаллизация; III — рост зерна
С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения.
7. Объясните, как определяется и от каких факторов зависит температура начала рекристаллизации деформированного металла? Как выбрать температуру рекристаллизационного отжига?
Характер структуры, объемные соотношения между фазами, размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами определяют температуры рекристаллизации и время для завершения первичной рекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.
Температуру рекристализации определяют по формуле: Трек = α·Тпл
Значение коэффициента α зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты α = 0,3 — 0,4 и понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей может понизить α до 0,1 — 0,2. Для твердых растворов α = 0,5 — 0,6, а при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 — 0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 450 °С.
Чистые металлы – до tрек = 0,2 — 0,3tпл; чистые сплавы – до tрек = 0,5-0,6tпл; технические сплавы – до tрек = 0,8-0,9tпл.
8. Поясните, в чем особенность критической степени деформации и каковы ее характерные величины? Приведите график изменения размера зерна металла, формирующегося при рекристаллизации, в зависимости от степени предшествующей деформации.
Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2-8 %); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди — к 5%.
Зависимость размера зерна D рекристаллизованного металла от деформации
С ростом степени деформации размер зерна уменьшается, т.к. увеличивается число дефектов, что приводит к образованию большего количества центров для роста новых зерен.
9. Дайте определение холодной и горячей пластической деформации металлов. В чем принципиальное отличие этих видов деформации? Укажите основные области их применения в инженерной практике.
Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклёпывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью.
Горячую деформацию применяют при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов. Холодная деформация позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности деталей.
10. Каким образом можно снять наклеп холоднодеформированного металла и восстановить его пластичность?
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл при обретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.
11. Пользуясь справочными данными, определите для выбранного металла следующие показатели:
• температуру рекристаллизации, °С; (Трек = α·Тпл в кельвинах)
• температуру рекристаллизационного отжига, °С;
• если этот металл деформировать при заданной температуре t, окажется деформация холодной или горячей? Будет ли деформация сопровождаться наклепом?
| Металл | Sn | Zn | Al | Fe | Ti | Cu | Ni | Cr | W | Mo |
| Температура плавленя, °С | 232 | 419 | 660 | 1539 | 1660 | 1083 | 1475 | 1875 | 3410 | 2620 |