Задание

1. Изучить по атласу микроструктуры доэвтектического, эвтек­тического и заэвтектического белых чугунов в равновесном состоянии.

2. Изучить по атласу микроструктуры ковкого, серого и высокопроч­ного чугунов до и после травления.

3. Изучить микроструктуру вышеуказанных чугунов с помощью оптического микроскопа и набора микрошлифов и зарисовать наиболее характерные микроструктуры, наблюдае­мые в микроскоп.

4. Начертить правую часть диаграммы состояния Fе-С, провести на ней линии, соответствующие доэвтектическому, эвтектическому и заэвтектическому белым чугунам и дать описание процессов и формирования структуры при охлаждении сплавов.

5. Описать отчет по работе в соответствии с пунктами 1-4 задания.

Контрольные вопросы

1. Какие сплавы называют чугунами и какую область диаграммы состояния Fе-С охватывают чугуны?

2. Как подразделяются белые чугуны в равновесном состоянии в зависимости от содержания в них углерода?

3. Какую структуру имеют доэвтектический, эвтектический и заэвтектический белые чугуны при высоких и при комнатной тем­пературах?

4. Как получают ковкий чугун? Какую он имеет форму графитовых включений? Какова может быть металлическая основа?

5. Какую форму графитовых включений и металлическую основу имеет серый чугун?

6. Как получают высокопрочный чугун? Чем обусловлены его бо­лее высокие (по сравнению с другими чугунами) механические свойства? Какую металлическую основу может иметь высокопрочный чугун?

Лабораторная работа 10

Исследование влияния на твердость металла

ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЯ

И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА

Цель работы

1. Изучение влияния холодной пластической деформации на структуру и твердость металла.

2. Исследование влияния температуры нагрева на твердость холоднодеформированного металла.

Приборы, материалы и инструмент

1. Образцы из алюминия, меди или низкоуглеродистой стали.

2. Гидравлический пресс.

3. Муфельная электропечь, клещи.

4. Твердомеры Бринелля, монокулярная лупа, набор шлифовальных бумаг.

5. Штангенциркуль.

Краткие сведения из теории

Изменение размеров и формы тел под действием внешних сил называют деформацией. Различают упругую и пластическую деформацию.

Упругой деформацией называют такую деформацию, влияние которой на форму и размеры тел полностью устраняются после прекращения действия внешних сил.

Пластическая деформация является результатом необратимых смещений атомов под действием внешних сил. В кристаллах такие смещения атомов происходят путем скольжения и двойникования. Скольжение и двойникование имеют дислокационный характер, т.е. происходят за счет перемещение дислокаций. Формирование структуры металла при обработке давлением происходит вследствие деформации каждого из кристаллитов. В поликристаллическом материале зерна ориентированы не одинаково и поэтому пластическая деформация не может протекать одинаково во всем объеме металла.

До деформации исходное зерно отожженного металла, как правило, имеет округлую равноосную форму (рис. 10.1 а).

а) б)

Рисунок 10.1 – Изменение формы зерна в результате пластической де­формации: а) до деформации, б) после деформации

Основное изменение формы кристаллитов (зерен) при пластичес­кой деформации состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной деформации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения), образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 10.1 6). Образуется, так называемая, текстура деформации – преимущественная ориентация зерен в направлении внешних действующих сил.

С увеличением степени холодной деформации ε показатели сопротивления деформированию (предел прочности σ_в, предел теку­чести σ_т, твердость НВ) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение δ и сужение ψ) снижаются (рис. 10.2). Это явление получило название наклеп. При деформации металла более 50-70 % его прочностные свойства могут увеличиться в 1,5-3,0 раза в зависимости от природы металла и вида обработки металла давлением.

Рисунок 10.2 - Зависимость механических свойств металла от степени холодной пластической деформации

Наиболее важное изменение внутреннего строения кристаллитов при деформации металла – увеличение плотности дислокаций (отношение суммарной длины дислокаций к объему металла). Если плотность дислокаций у хорошо отожженного металла равна 10⁶ - 10⁸ см^-2, то при больших степенях деформации она достигает 10¹¹ – 10¹² см^-2. Следовательно, рост показателей сопротивления деформации и снижение показателей пластичности с увеличением степени холодной пластической деформации происходят в результате повышения плотности дислокаций.

Холодная обработка давлением приводит металл в состояние с повышенной свободной энергией. В связи с этим, состояние деформированного металла термодинамически не устойчиво. При нагреве наклепанного металла в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации, изменяющие его свойства обратно тому, как они изменялись при холодной пластической деформации: показатели сопротивления деформированию (пределы прочности и текучести, твердость) уменьшаются, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) возрастают.

Процессы возврата (отдых и полигонизация) протекают при нагреве до сравнительно низких температур (ниже 0,2-0,3 Т_пл). На первой стадии возврата – отдыхе, происходит уменьшение концентрации точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов) и перераспределение дислокаций без образования новых субзерен. На второй стадии возврата – полигонизации, происходит дробление (фрагментация) деформированных кристаллов на субзерна (полигоны), за счет . При прохождении процессов возврата еще не наблюдается заметных изменений структуры металла, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием (рис. 10.3 а). В связи с этим комплекс механических свойств остается почти без изменения (рис. 10.3).

Начиная с определенной температуры (t^н_рек) при нагреве холоднодеформированного металла в его структуре наблюдается образо­вание новых равноосных зерен наряду с деформированными (рис. 10.3 б). Процесс образования и роста новых округлых равноосных зерен вместо волокнистой структуры называют первичной рекристаллизацией. Сле­дует отметить, что новые равноосные зерна отличаются от старых вытянутых зерен деформированной матрицы не только формой и разме­рами, но и, что гораздо важнее, более совершенным внутренним стро­ением, резко пониженной плотностью дислокаций. Падение прочност­ных свойств предварительно деформированного металла и повышение его пластичности, т.е. снятие наклепа во время рекристаллизации объясняется сниже­нием плотности дислокаций.

Рисунок 10.3 – Влияние температуры нагрева на механические свойства и структуру холоднодеформированного металла

Установлено, что температура начала рекристаллизации метал­лов (t^н_рек), подвергнутых значительной деформации, составляет 0,4 Т_пл, для металлов технической частоты, а для сплавов – (0,6-0,7) Т_пл. Для полного снятия наклепа металл необходимо нагревать до более высоких температур. Такая термическая обработка получила название рекристаллизационного отжига (рис. 10.3 в). При дальнейшем повышении температуры наблюдается рост одних рекристаллизованных зёрен за счет других (рис. 10.3 г). Такой процесс называется собирательной рекристаллизацией.

В зависимости от соотношения температуры проведения деформации и температуры рекристаллизации металла различают холодную и горячую деформации.

Холодной называют такую деформацию, которую проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации. Следовательно, холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) метал­ла.

Горячей называют такую деформацию, которую проводят при темпе­ратуре выше температуры рекристаллизации. В этом случае полностью проходят процессы рекристаллизации и не наблюдается упрочнения (наклепа) металла.