Материаловедение_лабы

		Микрострук-			Механические свойства в
	Содер-	тура			отожженном состоянии					При-
Марка	жание	обо-		изо-	σ	σ	δ	HRB	HB	мене-
стали	углеро-			бра-	в	0,2				ние
		зна-
	да, %			же-	МПа		%	HRC	МПа	стали
		чение
				ние
У8		Пзер-			630	-	20
		нистый
У12		П + Ц			800	-	4

По диаграмме «железо–цементит» для сталей определить критические температуры Аc1 , Аc3 , Аст для одной доэвтектоидной

стали, одной заэвтектоидной и эвтектоидной. Результаты занести в табл. 4.2.

Т а б л и ц а 4.2

Критические температуры стали

Марка стали	Содержание	Критические температуры в ºС
	углерода
		А c1	,	А c3		Аст

4.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Таблица критических температур, определенных по диаграмме «железо–цементит» для заданных сталей.

3.Результат определения углерода в доэвтектоидной стали по микроструктуре.

4.Таблица с микроструктурами сталей, свойствами отожженной углеродистой стали, областями применения сталей с варьируемым содержанием углерода. Построенная зависимость механических свойств от содержания углерода.

5.Выводы по работе.

4.5.Вопросы для самопроверки

40

1.Как изменяется структура стали в равновесном состоянии с увеличением содержания углерода?

2.Дать определение аустенита, феррита, цементита.

3.Как по микроструктуре отожженной доэвтектоидной углеродистой стали определить содержание в ней углерода?

4.Как изменяются механические свойства сталей с увеличением содержания углерода?

5.Для чего нужно знать критические температуры сталей?

6.Принципы маркировки углеродистых сталей.

7.Чем различаются по химическому составу и свойствам углеродистые стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПОСЛЕ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОТЖИГА

5.1.Цель работы

1.Ознакомиться с процессами упрочнения металлов и сплавов в результате пластической деформации.

2.Установить влияние степени деформации на изменение свойств прочности и пластичности алюминиевого сплава марки АМГ-3.

3.Исследовать влияние температуры нагрева холоднодеформированного металла на структуру и механические свойства.

5.2.Теоретическое обоснование работы

Холодная пластическая деформация (ниже 0,4 Тпл К) является одним из способов упрочнения металлов и сплавов. Используется она в ряде технологических процессов: ковке, прокатке, штамповке, прессовании и др.

Врезультате пластической деформации изменяются структура

исвойства металлов и сплавов. С увеличением степени деформации возрастают прочность и электросопротивление, снижается пластичность, уменьшается коррозионная стойкость и плотность. При сте-

41

пенях деформации 20…30% прочность металлов и сплавов повышается примерно в 1,5раза, а пластичность снижается в 2…3 раза.

Под упрочнением сплавов понимается повышение свойств, характеризующих их сопротивление пластической деформации

( σв , σт , твердость и др.) с увеличением степени деформации.

Упрочнение при пластической деформации называется наклёпом и происходит вследствие образования большого количества дефектов кристаллического строения (особенно дислокаций).

Это объясняется следующим. Пластическая деформация осуществляется в основном путем скольжения (сдвига). Перемещение одной части кристалла относительно другой по определенным кристаллографическим плоскостям является результатом движения дислокации (линейного дефекта атомно-кристаллического строения). Накопление дислокаций в деформированном металле затрудняет и тормозит передвижение их по кристаллу. Это вызывает увеличение сопротивления деформированию металла, т.е. его упрочнение. Уменьшение подвижности дислокаций приводит к снижению пластичности.

При больших степенях деформации (на практике применяются 20…30%) в результате процессов скольжения исходные равноосные зерна (имеющие произвольную ориентировку) приобретают вытянутую форму и ориентируются в направлении деформации. Преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен получила название текстуры. Её образование приводит к анизотропии свойств деформированного металла. Как правило, прочность в направлении течения металла больше, чем в поперечном направлении.

До 10…20% энергии, затраченной на деформирование, поглощается металлом (вызывая искажение его структуры), поэтому металл в состоянии наклепа имеет существенно больший запас свободной энергии по сравнению с равновесным состоянием.

Отжиг пластически деформированных металлов и спла-

вов. Структура пластически деформированных (наклепанных) металлов и сплавов искажена, металл находится в энергетически неустойчивом состоянии. При определенных условиях в таком металле должны самопроизвольно происходить процессы, устраняющие искажение в структуре, т.е. восстанавливающие ее до равновесного состояния.

Искажения в структуре после деформации уменьшаются или устраняются при термической обработке, называемой отжигом,

42

который приводит к изменению свойств – снижению прочности и повышению пластичности деформированного металла.

При восстановлении структуры и свойств пластически деформированного металла в зависимости от температуры отжига протекают процессы возврата и рекристаллизации.

При относительно низких температурах происходит возврат, при котором форма деформированных зерен сохраняется, но несколько уменьшается плотность дефектов и изменяется их распределение. С уменьшением плотности точечных дефектов (вакансии, межузельные атомы) частично восстанавливаются электросопротивление и плотность металла. В результате перераспределения дислокаций и уменьшения их количества механические свойства пластически деформированного металла изменяются незначительно.

При более высоких температурах нагрева происходит рекристаллизация, вызывающая разупрочнение металлов и сплавов (за счет восстановления равновесной структуры). Под рекристаллизацией понимается совокупность процессов, приводящих к возникновению новых равноосных зёрен с более совершенным строением.

Различают рекристаллизацию обработки и собирательную. Сначала происходит рекристаллизация обработки, при которой обычно у границ деформированных зерен возникают свободные от искажений новые равноосные зерна. Рекристаллизация обработки заканчивается, когда новые недеформированные зерна приходят во взаимное соприкосновение. После этого начинается собирательная рекристаллизация, заключающаяся в росте одних зерен за счет других.

Начало рекристаллизации совпадает с резким изменением механических свойств наклепанного металла, которое заключается в снижении прочности и повышении пластичности, т.е. происходит разупрочнение (рис. 5.1).

43

Рис. 5.1. Схема изменения структуры и свойств деформированного металла при нагреве: 1-2 – возврат; 2-3 – первичная кристаллизация; 3-4 – собирательная рекристаллизация; tп.р. – температурный порог рекристаллизации; t1 – температура фазового превращения

Температура, при которой возникают новые зерна и резко изменяются механические свойства, называется температурой рекристаллизации (Тр). Для чистых металлов Тр ≈ 0,4·Тпл (Тпл – температура плавления металла, К). Температура рекристаллизации зависит от многих факторов: содержания легирующих элементов в сплаве, степени предшествующей деформации и других, которые в настоящей работе не рассматриваются. У сплавов Тр выше, чем у чистых металлов. Например, для алюминия Тр ≈ 420 К (150°С), а для его сплавов она может достигать 670 К (400°С).

Увеличение степени деформации приводит к понижению температуры рекристаллизации. Температура рекристаллизации имеет большое практическое значение. Металлы и сплавы могут дли-

44

тельно работать под воздействием высоких напряжений только при температурах, лежащих ниже температуры рекристаллизации.

Отжиг выше температуры рекристаллизации называется рекристаллизационным.

В работе изучается влияние степени деформации (при холодной прокатке) на свойства прочности и пластичности сплава марки АМГ-3 (табл. 5.1)

Т а б л и ц а 5.1

Химический состав сплава марки АМГ-3

Легирующие элементы, %				Примеси (%) не более
Mg	Мn	Si	Fe		Cu	Zn		Ti
3,2 - 3,8	0,3 - 0,6	0,5 - 0,8	0,5		0,1	0,2		0,1

Исследуются образцы, вырезанные из листовых прокатных заготовок вдоль направления прокатки.

5.3.Порядок выполнения работы

1.Получить по одному разрывному образцу с одной из заданных степеней деформации (0, 5, 10, 20, 40, 60%), указанной на его головке. Степень деформации (n) определяется как отношение разности толщин (площади сечения) заготовок до деформации (Н)

ипосле деформации (h) к исходной толщине (Н) и выражается в процентах:

n= HH−h 100% .

2.Измерить твердость образцов на приборе Роквелла шариком по шкале В. Измерения производить на головках образцов не менее трех раз. По результатам измерений определить среднее значение твердости исследуемых образцов.

3.На разрывной машине провести испытания образцов с целью определения: предела прочности при растяжении σв, МПа,

условного предела текучести σ0,2 , МПа, и относительного удли-

нения δ, %. На рис. 5.2 приведен эскиз образца, длина рабочей части которого составляет 36 мм; Pmax – максимальная нагрузка,

45

МН; P0,2 – нагрузка, соответствующая условному пределу текучести, МН; F0 – исходная площадь поперечного сечения образца, м2.

Рис. 5.2. Плоский образец для испытания на растяжение: l0 – расчетная длина; F0 – площадь поперечного сечения рабочей части образца

Масштаб диаграммной записи машины (рис. 5.3) составляет 10 мм…1000 МПа по оси нагрузки и 1 мм…100 мм по оси удлинений. В соответствии с масштабом удлинения машины 0,2% деформации на длине образца, равной 36 мм, будут составлять 7,2 мм, т.е. ~ 7 мм.

Рис. 5.3. Машинная диаграмма испытания образца на растяжение

Таким образом, если представить машинную диаграмму, то из рисунка становится ясной методика определения σ0,2 , σв и ∆l .

Для	определения удлинения необходимо на диаграмме
(рис. 5.3)	провести пунктиром условную линию разгрузки в мо-

46

мент разрыва (параллельную участку упругой деформации) определить удлинение образца с учётом масштаба оси ∆l по формуле

δ= ∆l 100% , l0

где l0 – исходная длина рабочей части образца между кернами,

мм; F0 = 40 мм;

l0 = 36 мм.

Полученные

результаты записать

в

рабочую

таблицу

(табл. 5.2).

Т а б л и ц а 5.2

Рабочая таблица

Степень

HRB

Р0,2,

Рmax, МН

σв= Pmax ,

σ0,2= P0,2 ,

дефор-

F

F

δ, %

МН

мации

МПа

МПа

0

5

10

20

40

60

4.Половинки разорванных образцов с одинаковой степенью деформации ε = 60% отжечь в течение 35 мин при температурах 373, 473, 573, 673 К (100, 200, 300, 400°С). После отжига замерить твердость образцов.

5.Полученные результаты записать в табл. 5.3.

Т а б л и ц а 5.3

Твердость сплава АМГ-3 после отжига

Температура отжига, С	20	100	200	300	400
Твердость
HRB

6.Построить графики изменения механических свойств сплава АМГ-3 от степени деформации и твердости в зависимости от температуры отжига. По графику «HRB–температура» отжига определить интервал температур рекристаллизации.

7.Полученные результаты оценить вместе с преподавателем.

47

5.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Марка исследуемого сплава и его состав.

3.Таблица с результатами экспериментов.

4.Эскиз образца.

5.Графики зависимости σв , σ0,2 , HRB и δ от степени де-

формации, график зависимости твердости от температуры отжига.

6.Краткое объяснение физической сущности процесса упрочнения металлов и сплавов холодной пластической деформацией и разупрочнения при отжиге.

7.Определение интервала температур рекристаллизации и рекристаллизационного отжига.

8.Выводы по работе.

5.5.Вопросы для самопроверки

1.В чем сущность упрочнения металлов и сплавов при пластической деформации?

2.Что такое наклеп, как изменяются при наклепе механические свойства?

3.Чем различаются между собой рекристаллизация обработки и собирательная рекристаллизация?

4.Какое практическое значение имеет температура рекристаллизации сплавов и от каких факторов она зависит?

5.Как изменяются структура и свойства наклепанного металла после отжига?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Цель работы

1.Изучить основные теоретические положения, на которых базируется практика закалки стали.

2.Усвоить особенности закалки доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей.

48

3. Ознакомиться с методикой определения критических температур стали методом пробных закалок.

6.2. Теоретическое обоснование работы

Сталь, нагретая до температуры образования структуры аустенита, при охлаждении ниже температуры А1 ( Аr1 ) может при-

обретать различные структуры в зависимости от структуры стали (0,8% С) и скорости охлаждения. Как видно из рис. 6.1, температура превращения аустенита тем ниже, чем больше скорость охлаж-

дения. В отличие от равновесной температуры Аr1 (727°С), температуры превращения переохлажденного аустенита обозначаются А, Аr1 (при распаде аустенита на ферритно-цементитную смесь:

перлит, сорбит или тростит) и Mн (при мартенситном превращении). Чем больше скорость охлаждения и ниже температура превращения, тем дисперснее ее образующаяся ферритно-цемен- титная структура и тем выше ее твердость.

А'r

Mн

Аост M+Аост

Mк

v кр

Рис. 6.1. Влияние скорости охлаждения на критические температуры стали

49