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.

image020
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.

snimok-ekrana-2016-12-24-v-8-47-06
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.

snimok-ekrana-2016-12-24-v-8-58-44
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.

snimok-ekrana-2016-12-24-v-9-41-06
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%.

snimok-ekrana-2016-12-24-v-10-07-58
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


Комментарии