ррп. Методичка по ТКМ (1). Отчет по работе. В лабораторных предусмотрены эксперименты, которые проводятся по типовой мето дике или по системе учебной исследовательской работы студентов (уирс) с элементами творческого поиска
 Скачать 4.17 Mb.
|
|
Рис. 11. Влияние пластической деформации на механические свойства стали. 19 Дальнейшее скольжение возникает уже в другой параллельной плоскости и при большем напряжении. Такой ступенчатый характер процесса скольжения, когда с появлением каждой новой ступени возникают и новые напряжения кристаллической решет- ки, приводит к упрочнению сплава. В реальном сплаве, имеющем поли- кристаллическое строение, наряду с ука- занными изменениями, происходящими внутри отдельных кристаллов, происхо- дят процессы поворота или скольжения их друг относительно друга. Кристаллы, плоскости скольжения которых наиболее благополучно распо- ложены по отношению к действующему усилию, будут вытягиваться. При боль- ших степенях деформации в металле возникает волокнистая структура, называ- емая текстурой (рис. 12). Наряду с механическими характеристиками изменяются и многие физиче- ские свойства: уменьшается удельный вес, магнитная проницаемость, сопро- тивление коррозии и т.д. Пластически деформированный ме- талл имеет избыточный запас свободной энергии и по общим законам термодина- мики находится в неустойчивом состоя- нии. В связи с этим при определенных условиях в металле возникают процессы, связанные с возвращением структуры в равновесное состояние. При незначительном нагревании ста- ли, подвергнутой холодной пластической деформации (до 200...250С), исчезают упругие искажения кристаллической ре- шетки, что вызывает некоторое снижение прочности и повышение пластичности металла. Такое явление называется воз- вратом или отдыхом (рис.13). При более высоких температурах нагрева в металле начинается процесс образования новых зерен из новых цен- тров кристаллизации за счет деформированных зерен окружения. В результате, деформированная структура целиком замещается новыми равноосными зернами, волокнистая структура исчезает, а механические и фи- зические свойства приобретают прежние значения. Этот процесс называется рекристаллизацией . Температура рекристаллизации зависит от природы основ- ного металла, наличия легирующих элементов, степени предшествующей де- Рис. 12. Изменение микроструктуры при пластической деформации: а – исходное состояние; б – после деформации Рис. 13. Схема изменения структуры и свойств при нагреве деформированного металла 20 формации, температуры плавления. Чем больше степень деформации, тем ниже температура рекристаллизации. Однако для каждого металла и сплава существует наименьшая температура, при нагреве ниже которой рекристаллизация не происходит с практически за- метной скоростью даже при наибольшей степени деформации. А.А. Бочвар установил, что эта температура для чистых металлов равна: Т рек = 0,4 Т пл , К;для сплавов: Т рек = (0,6...0,8) Т пл , К. Стадия рекристаллизации, при которой идет процесс образования новых зерен из деформированных, называется первичной рекристаллизацией . Вторичной или собирательной рекристаллизацией называется процесс ро- ста образовавшихся при первичной рекристаллизации стабильных зерен за счет поглощения более крупными мелких, термодинамически менее устойчивых зе- рен. Этот процесс происходит и при более высоких температурах, чем первич- ная рекристаллизация. Температура рекристаллизации имеет большое практи- ческое значение при обработке металлов давлением и является теоретической границей между процессом холодной и горячей обработки давлением . При холодной обработке металлов давлением, происходящей ниже темпе- ратуры рекристаллизации, создается наклеп металла. Для того, чтобы восстано- вить первоначальную структуру и свойства металла, его необходимо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристал- лизационным отжигом. Горячая обработка давлением, как правило, происходит при температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, поэтому возника- ющее при деформации упрочнение будет сниматься протекающим процессом рекристаллизации. При большой степени деформации все зерна деформирова- ны равномерно, в них образуется большое количество центров кристаллизации, и поэтому первичная рекристаллизация дает равномерную мелкозернистую структуру. При меньшей степени деформации (3...17 %) первичная кристаллизация протекает вначале только в части зерен из немногих центров кристаллизации. Ввиду этого образуется неоднородная структура, в которой при дальнейшем повышении температуры происходит резкое укрупнение зерна за счет погло- щения мелких зерен более крупными. Такая степень деформации называется критической и в прак- тике обработки металлов давлением не применяется. Зависимость между размером зерна после рекристалли- зации, степенью деформации и тем- пературой нагрева изображают в виде пространственной диаграммы, называемой полной диаграммой ре- кристаллизации (рис. 14). Рис. 14. Полная диаграмма рекристаллизации железа 21 Оборудование и материалы 1. Цилиндрические образцы низкоуглеродистой стали марки 10, диаметром 10 мм и высотой (h) 15 мм. 2. Универсальная испытательная машина ИМЧ-30. 3. Нагревательная печь. 4. Прибор для определения твердости – Роквелл. 5. Микрошлифы стали марки 10, прошедшие рекристаллизационный отжиг на различные температуры. 6. Металлографические микроскопы. Порядок выполнения работы 1 Произвести осадку цилиндрических образцов до заданной степени де- формации (10 % и 50 %). Степень деформации при осадке определяется по формуле: % 100 0 1 0 h h h D , (2) где h 0 – высота образца в исходном состоянии; h 1 – высота образца после де- формации. 2. Замерить твердость образцов до- и после деформации на приборе Ро- квелла. 3. Произвести отжиг деформированных образцов при температуре 300, 400, 500, 600 и 800 °C в течение 30 мин. 4. Замерить твердость образцов после отжига на приборе Роквелла. 5. Изучить под микроскопом с увеличением в 100 раз структуру шлифов после деформации и последующего отжига при температурах 400, 500, 600 и 800 °C. Отчет по работе 1. Результаты замера твердости образцов после деформации и рекристалли- зационного отжига. 2. Графические зависимости между твердостью и степенью деформации, а также твердостью и температурой отжига. 3. Схематически зарисованные и описанные микроструктуры металла после деформации и последующего отжига. 4. Температуры рекристаллизации образцов установленные расчетным пу- тем по формуле А.А. Бочвара и по результатам эксперимента. 5. Выводы по результатам проделанной работы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ № 3 1 . Что такое наклеп? 2. Как изменяются механические свойства металлов в процессе деформирования при холодной обработке давлением? 3. Что такое рекристаллизация? 4. Как изменяются механические свойства в результате рекристаллизации? 5. Укажите основные механические характеристики, предопределяющие степень при- годности металлов к обработке давлением. 22 6. Какое влияние на обработку давлением оказывает углерод? 7. Какое влияние на обработку давлением оказывают кремний и марганец? 8. Какое влияние на обработку давлением оказывают примеси серы и фосфора? 9. В чем преимущество горячей обработки металлов давлением перед холодной? 10. Что называется критической степенью деформации и какова, ориентировочно, ее величина для углеродистых сталей? 11. Укажите рациональные величины степеней деформации, применяемые в практике обработки металлов давлением. 23 РАБОТА № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ Цель работы - определить влияние температурного режима на размер зерна и на ударную вязкость углеродистой конструкционной стали; ознакомиться с де- фектными структурами стали. Краткие теоретические сведения Температурный интервал горячей штамповки Для правильного установления температуры нагрева металла перед штам- повкой необходимо знать ее влияние на свойства металлов. От температуры нагрева зависят механические свойства металла. Прочность стали, характери- зующая ее сопротивление деформированию, с повышением температуры уменьшается. Например, нагрев стали с 20 до 1000°С уменьшает предел ее прочности (σ в )с 57 до 3,8 кгс/мм 2 , т.е. в 15 раз. Пластичность стали, в данном случае она выражается относительным удлинением ( ), при нагреве возрастает с 28 до 76 %, т.е. приблизительно в 2,7 раза. При 1000 °С сталь обладает высокой пластично- стью и незначительным сопротивлением де- формированию (рис. 15). Температуры начала и окончания горячей обработки металлов давлением определяют температурный интервал обработки заготов- ки на молоте или прессе (рис. 16). Оптималь- ный температурный интервал устанавливают на основании комплекса испытаний, проведен- ных для каждой из марок материала. В целях улучшения протекания деформаций металл следует нагревать до возможно большей температуры, однако это связано с опасностью его пережо- га . При температуре 1250...1300 °С зерна металла становятся очень большими, а их связь настолько ослабляется, что между ними начинает проникать кисло- род. Зерна по границам окисляются и даже оплавляются, так как температура плавления оксидов ниже соответствующей температуры самого металла. В ре- зультате в процессе деформирования пережженной стали заготовка разрушает- ся при приложении даже небольшого усилия. При нагреве стальной заготовки до температуры, меньшей температуры пережога, но близкой к ней, наблюдается перегрев металла, т.е. образование крупнозернистой структуры, что неблагоприятно влияет на свойства поковки, а затем и детали. Поэтому максимальную температуру нагрева металла устанавливают на 150...200 °С ниже температуры солидуса АЕ. Рис. 15. Зависимость прочности и относительного удлинения стали от температуры нагрева 24 Эта температура соответствует температуре начала обработки. Желатель- но, чтобы в этом температурном интервале металл находился в однофазном со- стоянии. Для получения высококачественных поковок важно знать и темпера- туру окончания штамповки. Очень низкие температуры деформирования за- трудняют возможность изменения формы заготовки, требуют больших усилий обработки. Для доэвтектоидных углеродистых сталей оптимальной температурой конца ковки являет- ся Ас 3 + (30...50) °С. Температура нижнего пре- дела должна быть такой, чтобы после деформи- рования при этой температуре металл не полу- чил упрочнения (наклепа) и имел требуемую величину зерна. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3 % С) окончание обработки давлением в интервале температур Ас 3 - Ас 1 является вполне допусти- мым. Для заэвтектоидной стали обработка давле- нием заканчивается в интервале температур Ас m ...Ас 1 . При окончании обработки в этом ин- тервале температур цементит, выделившийся ниже линии SE, имеет форму мелких раздроб- ленных включений. Это повышает обрабатываемость стали режущим инстру- ментом. С увеличением содержания углерода в заэвтектоидной стали нижний предел температурного интервала ковки должен быть несколько повышен. Поковка должна быть изготовлена за такое время, чтобы температура ме- талла не оказалась меньше нижнего предела температурного интервала. В ряде случаев применяют дополнительный нагрев заготовки или несколько нагревов. С повышением содержания углерода и степени легирования сталей темпе- ратурный интервал обработки, как правило, уменьшается. Однако даже самый узкий температурный интервал весьма велик (250 °С для нержавеющих сталей), что свидетельствует о больших технологических возможностях обработки де- тали с одного нагрева. Дефекты, возникающие в металле при нагреве К числу дефектов, которые могут возникать при нагреве металла, относят- ся недогрев, перегрев, пережог, значительные угар (окалинообразование) и обезуглероживание, а также термические трещины. Недогрев является результатом заниженной температуры нагрева металла или недостаточного времени выдержки заготовки при заданной температуре. В этом случае металл не успевает прогреться по всему сечению, т. е. серд- цевина заготовки будет иметь пониженную по сравнению с поверхностью пла- стичность. Иногда заготовки оказываются недогретыми с какой-нибудь одной стороны, что является следствием их неправильной укладки, на поде печи , не- правильно отрегулированным режимом работы нагревательных устройств. При горячей обработке в недогретых или неравномерно прогретых по сечению Рис. 16. Диаграмма состояния Fe-Fe 3 C и температурный интервал горячей обработки ме- таллов давлением 25 крупных заготовках и слитках появляются большие внутренние напряжения, которые могут стать причиной разрывов в осевой зоне металла. Частичный не- догрев заготовки может привести при последующей штамповке к браку по не- заполнению ручья, т. е. поковка получается недооформленной и из нее нельзя получить деталь. Перегрев наблюдается или при нагреве металла до температуры, превы- шающей верхнюю границу температурного интервала штамповки, или при слишком большой выдержке заготовки в печи. В процессе последующей обра- ботки давлением сильно перегретой стали структурно свободный феррит в доэвтектоидной стали и структурно свободный цементит в заэвтектоидной ста- ли выделяются в виде сетки по границам зерен перлита, а иногда и в виде длинных игл, пронизывающих зерна перлита (рис. 17). В последнем случае структуру называют видманштеттовой , которая в дальнейшем полностью не устраняется, что снижает механические свойства детали. Сильно перегретый металл имеет низкую пластичность, что может вызвать разрушение за- готовки при деформировании. Перегрев нельзя обнаружить по внешнему виду заготовки – это осуществляют с помощью металлографического анализа. Устранить его можно термической об- работкой – отжигом или нормализацией. Пережог. Продолжительное пребывание за- готовки в печи при высоких температурах в окислительной среде может привести к пережо- гу стали, т.е. к окислению границ зерен, что приводит к нарушению связей между ними и еще большей потере вязкости, а также к потере прочности. К то- му же эти условия нагрева приводят к расплавлению легкоплавких составляю- щих, расположенных по границам зерен, что делает заготовку хрупкой даже при высоких температурах. Кроме того, пережог часто имеет место при загруз- ке заготовок в печь навалом или большими партиями без учета производитель- ности кузнечно-штамповочного оборудования. При пережоге излом стали камневидный. Пережог – неисправимый брак. Окалинообразование является результатом химического соединения ме- талла с кислородом воздуха при высокой температуре. Основной частью ока- лины являются оксиды железа. Вначале окисление железа происходит по реакции 2Fe + О 2 = 2FeO, затем образуются также оксиды Fe 3 О 4 и Fe 2 O 3 . Скорость образования окалины зави- сит от состава и температуры печных газов, температуры металла, времени нагрева, химического состава металла. Интенсивное окалинообразование начи- нается при 700...750 °С. Легированные стали менее склонны к окислению, ко- торому препятствует тонкий и прочный слой образующейся окалины. На низ- коуглеродистых сталях образуется рыхлая окалина; она легко разрушается и быстро появляется вновь. Образование окалины, являющейся отходом произ- Рис. 17. Видманштеттовая структура 26 водства, иначе называют угаром металла. При нагреве в пламенных мазутных и газовых печах угар составляет до 2,5...3 % от массы заготовки. Окалинообразование снижает экономическую эффективность кузнечно- штамповочного производства не только из-за расхода металла. Оно уменьшает производительность работы оператора, так как для очистки заготовок от окали- ны требуются дополнительные затраты труда. Оставшаяся на заготовке окалина при штамповке вдавливается в тело поковки, что может привести к браку, а также затрудняет течение металла и резко снижает стойкость штампов. С целью снижения окалинообразования предусматриваются специальные меры. Одной из них является строгое соблюдение режимов нагрева. Например, при скоростном режиме нагрева угар снижается почти в 3 раза. Еще большего его уменьшения достигают, применяя способы и средства мало- окислительного и безокислительного нагрева, к которым относятся: электронагрев (угар уменьшается до 1 %); нагрев в печах с восстановительной и защитной атмосферой; нагрев в расплавах солей или стекла; предварительное покрытие заготовок перед нагревом специальными обмазками, защищающими металл от окисления. Обезуглероживание заключается в выгорании углерода в поверхностном слое заготовки в процессе нагрева (рис.18). При уменьшении содержания углерода снижаются прочность, твердость, износостойкость стали, её усталостные характеристики в конструкциях, ухудшается способность к закаливанию. Глубина обезуглероженного слоя иногда до- стигает 1,5...2 мм. Обезуглероживание может происходить не только за счет окисления углерода, но и за счет образования углеводородов, если в продуктах горения появляется водород, который в присут- ствии водяного пара является самым сильным обезуглероживающим газом. Дефекта можно избежать, нагревая заготовки в защитных атмосферах или в хорошо раскисленных соляных ваннах. Интенсивное обезуглероживание про- исходит в пламенных печах, особенно при окислительном пламени. Во избежание этого дефекта не допускают нагрева заготовок окислитель- ным пламенем и касания пламенем металла. Скоростной и безокислительный нагрев практически устраняет выгорание углерода. Термические трещины появляются в металле в результате возникновения значительных термических напряжений при чрезмерно быстром нагреве круп- ных заготовок и заготовок из высоколегированных сталей. Если значения термических напряжений достигают предела прочности ме- талла, в последнем образуются трещины. В процессе обработки давлением, особенно при прокатке слитков стали, оси дендритов ориентируются в направ- |