Дослідження впливу пластичної деформації і рекристалізації на механічні властивості металів Мета роботи:

1. Дослідити вплив пластичної деформації на механічні властивості металів.

2. Дослідити вплив рекристалізації на властивості наклепаного металу.

Основні теоретичні положення

Деформацією називається зміна форми і розмірів тіла під дією сил. Сили за походженням можуть бути зовнішніми (від прикладених навантажень) і внутрішніми (від структурних змін і перепаду температур). Деформація буває пружною, коли форма і розміри тіла після зняття навантаження відновлюються, і пластичною, коли цього не відбувається.

Найважливішими властивостями металевих матеріалів є міцність, твердість, пластичність.

Міцність металу оцінюють його здатністю протистояти пластичній деформації і руйнуванню і визначають за формулою

де - межа міцності при розтяганні (тимчасовий опір), Па;

- максимальне навантаження, яке витримує стандартний зразок при розтяганні (стиску), Н;

- площа поперечного перерізу зразка до випробування, м².

Пластичністю називається здатність матеріалу до залишкової зміни зовнішньої форми без руйнування. Пластичність характеризується відносним подовженням δ чи відносним звуженням ψ:

де і- відповідно, початкові довжина і площа поперечного перерізу зразка;

і - довжина і площа поперечного перерізу зразка в момент руйнування.

У полікристалічному тілі зрушення відбуваються спочатку в тих зернах, в яких дотичні напруження максимальні. При цьому зерна дробляться, спотворюються, орієнтуються у певному напрямку відповідно до навантаження. Орієнтована структура після пластичної деформації називається текстурою (рис.1). Поява текстури чи волокнистої структури надає металу анізотропію властивостей, тобто властивості залежать від напрямку прикладеного навантаження. Так, на розрив уздовж волокон потрібне більше напруження ніж, чим при розтяганні поперек волокон.

Рис.1 - Вплив пластичної деформації на мікроструктуру металу:

а — до деформації; б — після деформації, 200

Перекручування кристалічних ґрат супроводжується підвищенням міцності, твердості і зниженням пластичності. Зміцнення металу в процесі пластичної деформації називається наклепом (нагортовкою).

Якщо наклепаний метал нагріти вище деякої температури, то почнеться процес утворення нових кристалітів (зерен) на місці деформованих з відновленням початкових механічних властивостей. Цей процес називається рекристалізацією, а відповідна термічна обробка - рекристалізаційним відпалом (рис.2).

Температуру відпала можна приблизно визначити за формулою:

,

де - поріг рекристалізації, тобто мінімальна температура, починаючи з якої буде відбуватися відновлення зернистої структури, К⁰;

- коефіцієнт, рівний 0,3...0,4 для чистих металів і 0,6…0,7 для сплавів;

- температура плавлення, К⁰.

Рис.2 - Процес росту зерна при рекристалізації. 100

Приклад. Визначити поріг рекристалізації для свинцю ( = 327 ⁰С). Виразимо температуру плавлення в кельвінах: = 327 + 273 = 600 К. Приймемо коефіцієнт= 0,35. Тоді= 0,35 ∙ 600 = 210 К. Після переведення в градуси Цельсія одержимо:= 210 - 173 = 37⁰С. Для вуглецевої сталі ≈400...…450⁰С.

Прилади, інструменти, матеріали

Для виконання досліджень видаються зразки металу після наклепу, мікроскоп МІМ-7, полірувальний верстат, набір наждакового папера, паста ГОІ, азотна кислота, етиловий спирт, фільтрувальний папір, хімічний посуд, мірні судини.

Методичні вказівки до виконання роботи

Для спостереження процесів пластичної деформації готують мікрошліф зі сталі 10. Потім зразок установлюють на прес таким чином, щоб поверхня мікрошліфа була звернена до мікроскопа. Задаючи певний тиск на пресі (це зусилля встановлюється експериментально), спостерігають появу зрушень у кристалітах (зернах) у вигляді темних ліній (лінії Чернова-Людерса). Зрушення з'являються в першу чергу в тих кристалітах, кристалографічні площини яких розташовані приблизно під 45⁰ до лінії дії навантаження (рис.3, а). При подальшому збільшенні навантаження зрушення охоплює й інші зерна аж до появи текстури (рис.3, б, в).

Процес зміни структури замальовування в журналі.

Зміну механічних властивостей під впливом пластичної деформації досліджують на зразках, що були деформовані з різним ступенем δ = 10; 20 і 30%. За допомогою твердоміра Бринелля необхідно виміряти твердість всіх зразків, у тому числі недеформованого зразка; на підставі отриманих даних заповнити табл.1 і побудувати графік "Залежність твердості металу від ступеня деформації".

Таблиця 1 — Залежність твердості від ступеня деформації

Номер зразка	Ступінь деформації, %	Діаметр відбитка, мм	Твердість, НВ
1	—
2	10
3	20
4	30

Після закінчення виміру твердості зразки помістити в нагрівальну піч з температурою 500 ⁰С. Час рекристалізаційного відпалу 30 хв. Відпалені зразки остуджують на повітрі, після чого повторюють вимір твердості і заповнюють табл.2.

Таблиця 2 — Залежність твердості від ступеня деформації після рекристалізації

Номер зразка	Ступінь деформації, %	Діаметр відбитка, мм	Твердість, НВ
1	—
2	10
3	20
4	30

За результатами вимірів будують графік, для чого використовують попередній графік. На підставі експерименту дають висновки про вплив наклепу й відпалу на механічні властивості металу.

Запитання для самоконтролю

1. Назвіть види напружень, що виникають у металі при навантаженні. Яка їхня роль у деформуванні металу?

2. Що називається деформацією? Назвіть види деформації і їх розходження.

3. Які процеси відбуваються в структурі металу при пластичній деформації?

4. Що таке текстура?

5. Як впливає пластична деформація на механічні властивості металу?

6. Поясніть, як залежать властивості металу з волокнистою структурою від напрямку прикладеного навантаження?

7. Що таке рекристалізація?

8. Як змінюються механічні властивості наклепаного металу після рекристалізаційного відпалу?

9. До якої температури слід нагрівати наклепаний метал, щоб відбулася рекристалізація?

10. З якою метою можна використовувати наклеп?

Лабораторна робота № 4