Методичка по Материаловедению Теперь и в ПДФ

43

проницаемость, увеличивается коэрцитивная сила, увеличивается электросопротивление, изменяется термоэлектродвижущая сила.

Деформация со степенью более 70% увеличивает предел прочности в полтора – два раза, а иногда и в три раза, в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Относительное удлинение при этом снижается в 10–20, а иногда и в 30–40 раз.

Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой или наклепом.

Состояние металла, возникающее в результате наклепа, является неустойчивым, метастабильным, с повышенной свободной энергией. Поэтому даже при комнатных температурах в нагартованном металле протекают самопроизвольно диффузионные процессы, приводящие деформированный металл в более равновесное состояние. При повышенных температурах эти процессы протекают быстрее. В зависимости от степени деформации, температуры и времени нагрева в нагартованном металле протекают разные по своему типу структурные изменения, которые подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизацию. В свою очередь стадия возврата включает отдых и полигонизацию, а стадия рекристаллизации – первичную рекристаллизацию (рекристаллизация обработки) и собирательную, или вторичную рекристаллизацию.

При отдыхе (или возврате первого рода) происходит диффузионное перемещение и аннигиляция (взаимное уничтожение) точечных дефектов, уменьшение концентрации вакансий. За сет этого частично снимаются упругие искажения кристаллической решетки и, следовательно, частично восстанавливаются механические и физические свойства. Микроструктура металла и кристаллографическая ориентация его зерен практически не изменяются. Температура отдыха для железа соответствует 300–350ºС.

Полигонизация (или возврат второго рода) протекает при более высокой температуре (для железа 450–500ºС). Она характеризуется тем, что происходит планомерное перемещение дислокаций и группировка дислокаций в ряды (рис. 23). Дислокации выстраиваются друг над другом, образуя вертикальные дислокационные малоугловые границы, которые разделяют соседние субзерна с небольшой разориентировкой решеток. В результате происходит дальнейшее снятие упругих искажений решетки и более полное восстановление физических свойств. Механические свойства при этом изменяются незначительно, т.к. процессы протекают внутри зерна, а сами зерна не изменяют свою форму.

44

При более высоких температурах (tнр – температура начала рекристаллизации, рис. 24), определенных для каждого материала, начинается процесс образования новых зерен взамен волокнистой

а

б

Рис. 23. Схема полигонизации:

а – хаотичное распределение дислокаций в изогнутом кристалле; б – стенки из дислокаций после полигонизации

структуры. При этом происходит полное разупрочнение деформированного материала. Механические и физические свойства приобретают прежние значения (см. рис. 24). Образование и рост новых зерен с менее искаженной решеткой за счет исходных деформированных зерен называется рекристаллизацией обработки, или первичной рекристаллизацией. Движущей силой рекристаллизации обработки является энергия искажений деформированных зерен.

Температура начала рекристаллизации (20) зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала, химического состава, количества примесей в нем; от природы материала, от величины зерна до деформации, от температуры деформирования. Определено, что

Tрек Tпл .

(20)

где Трекр. – абсолютная температура рекристаллизации; а – коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы; Тпл. – абсолютная температура плавления данного вещества.

Для железа и других металлов технической чистоты минимальная температура рекристаллизации определяется по формуле Л.А. Бочвара

(21):

Tрек (0,3 0,4)Tпл.

(21)

45

Повышение температуры (t1, см. рис. 24) или увеличение времени выдержки приводит к росту зерен, т.е. происходит поглощение мелких, термодинамически неустойчивых зерен более крупными. Такой процесс получил название собирательной, или вторичной рекристаллизации. Эта стадия рекристаллизации нежелательна для производства, так как она приводит к образованию разнозернистости.

Рис. 24. Влияние нагрева на механические свойства и микроструктуру холоднодеформированного металла

Температура рекристаллизации играет огромное практическое значение. Чтобы пластическая деформация создавала в материале упрочнение (наклеп), она должна осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка давлением называется холодной. Если же обработка давлением производится при температурах выше температуры рекристаллизации, то возникающее при деформации упрочнение будет сниматься процессом рекристаллизации и материал разупрочняется. Такая обработка давлением называет-

ся горячей.

Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного материала до температуры выше Трекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (с печью), называется рекристаллизацион-

ным отжигом.

Практически температура рекристаллизационного отжига выбира-

46

ется выше расчетной обычно на 200–300ºС для ускорения процесса рекристаллизации. Для железа и низкоуглеродистой стали эта температура принимается 650–700ºС.

Установлено, что зерно растет особенно сильно после небольшой степени деформации, называемой критической степенью деформа-

ции εкр. (рис. 25).

Критическая степень деформации для железа равна 5–6%; для малоуглеродистой стали 7–15%.

При критической степени деформации возможно взаимное уничтожение дислокаций при тепловом их движении, что способствует постепенному уменьшению количества дислокаций на границах зерен и слиянию нескольких зерен в одно крупное.

Критическую степень деформации следует избегать, так как после рекристаллизационного отжига крупнозернистая структура обладает пониженной ударной вязкостью, более низкими σв, σ0,2 и δ.

Рис. 25. Влияние степени деформации на размер зерна после рекристаллизационного отжига

Порядок выполнения работы

В данной работе студенты знакомятся с изменением формы, размеров зерен и твердости металла, подвергнутого холодной пластической деформации и рекристаллизационному отжигу.

При выполнении работы необходимо выполнить следующее.

1. Привести краткое изложение основных теоретических положений.

47

2. По образцам лабораторной коллекции изучить, зарисовать в табл. 6 и объяснить микроструктуру недеформированной части образца и частей образцов, подвергнутых холодной пластической деформации различной степени (рис. 26) и установить зависимость твердости поверхностей образца от степени пластической деформации.

Рис. 26. Образец, подвергнутый холодной пластической деформации разной степени

Степень холодной пластической деформации подсчитывается в процентах как отношение (22):

h0 hi 100%

h0

(22)

где h0 – толщина образца до холодной пластической деформации, мм; hi – толщина образца после холодной пластической деформации, мм;

Результаты записать в табл. 6.

Таблица 6

Результаты измерения твердости и определения микроструктуры сталей в зависимости от степени пластической деформации

	Степень пластической де-	Твердость HRC	Микроструктура
	формации ε, %

3. По данным табл. 6 построить график HRС = f(ε). Сделать вывод.

48

Контрольные вопросы и задания

1.Дайте характеристику способов, с помощью которых осуществляется пластическая деформация.

2.Что такое наклеп или нагартовка? Как изменяются свойства материала при наклепе?

3.Что такое текстура деформации?

4.Охарактеризуйте процессы возврата и рекристаллизации. Какое влияние оказывает температура нагрева на свойства и микроструктуру сталей?

5.Как определяется Трек.?

6.Что называется рекристаллизационным отжигом, его назначе-

ние?

7.Что называется холодной и горячей обработкой давлением?

8.Что называется критической степенью деформации, какое влияние она оказывает на свойства сталей?

49

Работа № 5

Диаграмма состояния железо - углеродистых сплавов

Цель работы: изучить диаграмму состояния железо-цементит, проанализировать строение и фазовые превращения, происходящие в сплавах Fe-Fe3C.

Компоненты и фазы в системе железо – углерод. Железо – ме-

талл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α-железа существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С (рис. 27). В интервале температур 1392–1539°С α-железо нередко обозначают как δ-железо.

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см3, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, имеющий объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК). Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Феррит имеет следующие механические свойства: σв = 250 МПа, σт = 120 МПа, δ = 50%, ψ = 80%, НВ 800.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеющий гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). Предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%. Он имеет твер-

дость НВ 1600–2000; δ = 40…50%.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит 6,67% С, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается равной 1550°С. Цементит магнитен и характеризуется высо-

50

кой твердостью НВ 8000.

Графит представляет собой свободный углерод. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он мягок, электропроводен, химически стоек, малопрочен.

Диаграммы состояния железо - углеродистых сплавов. Сущест-

вует две диаграммы железоуглеродистых сплавов: железо-цементит и железо-графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от внешних условий в равновесии с жидким раствором и твердыми растворами железа могут находиться как цементит (карбид железа Fe3C), так и графит.

Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае длительного пребывания при достаточно высоких температурах диссоциирует с выделением графита. Неустойчивость цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплавах. В сталях цементит отличается высокой устойчивостью; графит в них может появляться лишь в результате длительного пребывания (тысячи часов) при температурах 500–700°С. В чугунах графит часто образуется уже при медленном охлаждении или при нагревах и относительно кратковременных выдержках при повышенной температуре.

Однако диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными, отражающими состояние равновесия в присутствии в сплавах цементита, и пунктирными – графита.

Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний Fe-Fe3C, т.к. появление графита в чугунах объясняется протеканием вторичной реакции графитизации: цементит → железо + графит, а в сталях графит встречается чрезвычайно редко.

Диаграмма состояний Fe-Fe3C представлена на рис. 27, 28.

На диаграмме Fe-Fe3C точка А (1539°С) отвечает температуре плавления железа, а точка D (~1600°С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392°С) и G (911°С) соответствуют полиморфному превращению α ↔ γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe3C следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499°С; Н – 0,1% С предельное содержание в δ- феррите при 1499°С;

J – 0,16% С – в аустените при перитектической температуре 1499°С;

Е – 2,14% С предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147°С; S – 0,8% С – в аустените при эвтектоидной температуре 727°С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите при

51

эвтектоидной температуре 727°С.

Рис. 27. Фазовый анализ диаграммы состояния железо-цементит:

а – общий вид; б – верхний левый угол диаграммы

Кристаллизация сплавов Fe-Fe3C. Линии диаграмм состояния FeFe3C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл: АВ – линия ликвидус, показывает температуру начала кристаллизации δ-феррита (Ф) из жидкого сплава (Ж); ВС – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); CD – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (ЦI) из жидкого сплава (Ж); АН – линия солидус, является температур-

52

ной границей области жидкого сплава (Ж) и кристаллов δ-феррита (Ф); ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB – линия перитектического превращения (1499°С), на ней происходит перитектическая реакция (жидкость состава т. В взаимодействует с кристаллами δ- феррита состава т. Н с образованием аустенита состава т. J)

ЖВ ФН	1499
	АJ	(23)

Линия ECF – линия солидус, соответствует кристаллизации эвтектики – ледебурита.

Ледебурит – эвтектика, представляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита, полученную в процессе их одновременной кристаллизации из жидкого сплава, состоящая на момент образования из аустенита состава т. Е и цементита (24):

Ж	1147
	С АЕ Ц
	Ледебурит	(24)

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. В сплавах, содержащих 0,1–0,16% С, по достижении температур, отвечающих линии АВ из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным Ж + δФ. Состав δФ при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав Ф – по линии ликвидус. При температуре 1499°С в равновесии находятся δФ состава точки Н (0,1% С) и Ж состава точки В (0,51% С). При этой температуре протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется двухфазная структура δФ и А состава точки J

(0,16% С) (25):

ЖВ ФН ФН АJ

(25)

В сплаве, содержащем 0,16% С, кристаллы твердого раствора δФ в результате взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью превращается в А (26):

ЖВ ФН	AJ	(26)

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,51% С, при перитектической температуре в результате взаимодействия между δФ и Ж образуется А,