Матвед. Материаловедение. Лекция 2. Лекция 2 Наклеп в металлах
 Скачать 84 Kb.
|
|
т Лекция 2. 2.1. Наклеп в металлах. НАКЛЕП – это изменение структуры и свойств металла под действием пластической деформации ( упругая деформация не вызывает наклеп ). В структуре металла при наклепе изменяется форма зерен ( они вытягиваются в направлении деформации, рис.1 ).  Рис.1. Схема изменения формы зерен в результате пластической деформации а – до деформации, б – после деформации. Внутри зерен увеличивается количество дислокаций. Не изменяется тип кристаллической решетки и расстояние между атомами в кристалле. В связи с увеличением количества дислокаций растет сопротивление металлов электрическому току, снижается стойкость металлов к коррозии. Твердость и прочность металлов при наклепе увеличивается, а пластичность и ударная вязкость уменьшается. Металлы с решеткой ГЦК упрочняются наклепом значительно сильнее, чем металлы с решеткой ОЦК. Упрочнение металлов при наклепе часто используют для повышения прочности деталей. В судостроении так делают с листами из сплавов алюминия (из них делают катера, яхты, надводные части корпуса больших кораблей ). С помощью наклепа упрочняют стальную проволоку, из которой делают очень прочные канаты для судостроения. Предел прочности сталей, из которых делают корпуса кораблей, составляет около 500 МПа, а в упрочненных наклепом со степенью деформации 80 % стальных канатах предел прочности достигает 4000 МПа. При наклепе в металле появляется АНИЗОТРОПИЯ – механические и физические свойства в разных направлениях не одинаковые, и разница может быть большой. Главная причина возникновения анизотропии при деформации в том, что зерна ( кристаллы ) поворачиваются своими плоскостями в одном определенном направлении, которое определяется условиями деформации. 2.2 Изменение структуры и свойств при нагреве. При нагреве наклепанного металла в нем происходят изменения. При невысоких температурах ( для железа до 400* С ) протекает явление, которое называют ВОЗВРАТ. Форма измененных пластической деформацией зерен остается прежней, но внутри зерен уменьшается количество дислокаций. Оставшиеся дислокации выстраиваются в определенном порядке. При возврате незначительно снижается прочность и твердость упрочненного наклепом металла, также незначительно растет пластичность и ударная вязкость. Явление возврата часто используют на заводах, чтобы нагревом до сравнительно небольших температур убрать в металле напряжения, возникшие при разных технологических операциях ( сварка, обработка резанием, гибка металла и других ).  Рис.2. Изменение структуры и свойств наклепанного металла при нагреве: Зона 1 – 2 – возврат, зона 2 – 3 – первичная рекристаллизация, зона 3 – 4 - собирательная рекристаллизация. При более высоких температурах нагрева в наклепанном металле начинается РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. Это превращение в твердом состоянии деформированных, искаженной формы зерен в новые зерна, форма которых ближе к круглой. Количество дислокаций внутри зерен снижается при рекристаллизации до уровня, который бывает в металле без наклепа. Значит, снижается прочность и твердость до минимального значения, и возрастает пластичность и ударная вязкость. Температура, при которой начинается процесс роста новых зерен, называется ПОРОГ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ. Ее значение составляет ( 0,3 – 0,8 ) от температуры плавления  данного металла в градусах по шкале Кельвина. Дело в том, что в процессе рекристаллизации важную роль играет диффузия. Чем чище металл от других химических элементов, тем проще двигаться в решетке кристалла и отдельным атомам, и дислокациям. Тогда снижается температура рекристаллизации, коэффициент ближе к значению 0,3. С другой стороны, сложные по составу сплавы, в которые входит много химических элементов, имеют порог рекристаллизации, близкий к температуре плавления. Пример таких сплавов – инструментальные материалы для изготовления резцов и фрез, а также материалы, которые должны быть прочными при температурах выше 600* С. При рекристаллизации размер новых зерен зависит от степени деформации и от того, насколько температура нагрева выше порога рекристаллизации. При малых ( 3 - 5 % ) степенях деформации при рекристаллизации образуются очень крупные зерна. Такую степень деформации называют критической ( рис. 3, а ). При увеличении степени деформации размер зерна заметно уменьшается. Эту зависимость всегда учитывают при выборе режима пластической деформации. Если степень деформации достаточно велика, то зерна будут малого размера.  Рис.3. Влияние степени деформации ( а ), температуры ( б ) и продолжительности нагрева ( в ) на величину зерна после рекристаллизации. Повышение температуры деформированного металла намного выше порога рекристаллизации приводит к увеличению размера зерен ( рис.3, б ). При более высокой температуре границы зерен приобретают возможность двигаться. Самые маленькие зерна и те зерна, форма которых очень отличается от круглой при движении границ зерен соединяются вместе или присоединяются к более крупным зернам. На образование границ зерен затрачивается энергия. Когда зерна растут, общая длина границ уменьшается и создается выигрыш в энергии. Именно поэтому первыми растут самые маленькие зерна – выигрыш в энергии больше. Такой процесс называют ( рис. 2 ) собирательной рекристаллизацией. Рост зерен ведет к снижению ударной вязкости, поэтому собирательную рекристаллизацию стараются не допускать. 2.3 Холодная и горячая деформация. При пластической деформации металлов различают холодную и горячую деформацию. ХОЛОДНАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ – это деформация при температуре ниже порога рекристаллизации, обычно при окружающей нас температуре. При деформации возникает наклеп, и далее он сохраняется в металле. Преимущества холодной пластической деформации: - металл становится более прочным - высокая точность изготовления деталей при пластической деформации - поверхность деталей не окислена, проще дальнейшая обработка. Недостатки холодной пластической деформации: - снижается пластичность и ударная вязкость металла - для деформации нужны большие усилия, требуется мощное оборудование, нет возможности обрабатывать большие детали - детали после холодной деформации нельзя нагревать, иначе они потеряют прочность. ГОРЯЧАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ – это деформация при температуре выше порога рекристаллизации. В металле одновременно протекает два процесса. Пластическая деформация придает металлу требуемую форму и упрочняет его за счет возникающего наклепа, а рекристаллизация устраняет наклеп. Чтобы процесс рекристаллизации успевал изменить структуру, на практике температуру горячей пластической деформации выбирают намного выше порога рекристаллизации. Например, для обыкновенной стали температура рекристаллизации составляет около 500*С, а горячую пластическую деформацию ведут в интервале температур от 1200 до 900* С. Преимущества горячей пластической деформации: - прочность металла при высокой температуре сильно снижается, требуются меньшие по величине усилия деформации, менее мощное оборудование - это единственный способ деформировать большие детали Недостатки: - возникает окисленный ( реакция с кислородом при высокой температуре ) слой на поверхности - ниже точность обработки - нет возможности обрабатывать тонкие детали, так как они быстро охлаждаются. 2.4 Устранение наклепа отжигом. В тех случаях, когда возникший при холодной пластической деформации наклеп является нежелательным и при работе детали важнее повышенная пластичность металла используют РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ. Это нагрев металла до температуры на 100 – 150 градусов выше температуры порога рекристаллизации для данного материала. Если температура нагрева повышена меньше, чем на 100 градусов, рекристаллизация будет идти очень долго, потребуется нагрев продолжительностью несколько часов и увеличатся затраты энергии. Если температура повышена более, чем на 150 градусов может начаться собирательная рекристаллизация и образуются крупные зерна, что снижает механические свойства металла. При правильно выбранной температуре нагрева продолжительность отжига не более одного часа. Охлаждают металл после отжига в зависимости от размера и формы деталей. Если детали имеют простую форму и небольшую массу, их вынимают из печи и охлаждают на воздухе. Если деталь имеет сложную форму или большую толщину, при охлаждении на воздухе возникает неравномерное охлаждение разных частей детали. В металле возникают термические напряжения, которые могут разрушить деталь или изменить ее форму. Поэтому такие детали охлаждают медленно, вместе с печью. 2.5 Работа в лаборатории по теме наклеп. 1. Освоить способ измерения твердости. 2. Сравнить твердость образцов, сделанных из стали с разной пластической деформацией. 3. Исследовать влияние степени пластической деформации на размер зерна в пластинках из алюминия. 4. Исследовать влияние температуры нагрева на размер зерна в образцах из сплава меди с цинком ( латунь ). 5. Сделать выводы по работе. 2.6 Упрочнение поверхностного слоя деталей. Часто требуется, чтобы поверхность детали на глубину от 0,5 до 15мм имела твердость более высокую, чем основной металл. Такой обработке подвергают детали, которые работают на трение, подвергаются абразивному износу, испытывают контактные нагрузки. При этом менее твердая и более пластичная сердцевина детали уменьшает возможность разрушения при ударах, заметно снижает скорость роста трещин. Наиболее простым и дешевым способом упрочнения поверхностного слоя является пластическая деформация. 2.6.1.Упрочнение при помощи поверхностной пластической деформации Самый распространенный способ – воздействовать на поверхность детали стальными шариками диаметром от 1 до 5мм, которые ударяют по детали с большой скоростью. При ударе каждого шарика о поверхность детали в точке удара возникает пластическая деформация. Заставляют двигаться шарики с помощью сжатого воздуха. Шарики используют много раз, время обработки менее одного часа. Глубина слоя с повышенной твердостью не превышает одного миллиметра, но детали после такой обработки дольше работают при трении о другие металлы. Особенно важно, что такая обработка повышает стойкость деталей при знакопеременных нагрузках ( действующие напряжения изменяются в процессе работы по величине и направлению ). Если изменение нагрузки происходит с большой частотой ( от десятков до миллиона колебаний в час ), то разрушение деталей происходит при сравнительно небольших напряжениях ( предел выносливости ), намного меньше предела текучести Упрочнение поверхности, которое создает на поверхности сжимающие напряжения - самый простой и дешевый способ повысить продолжительность работы таких деталей. Также для создания пластической деформации в поверхностном слое деталей применяют обкатку роликом на токарном станке. Инструмент с твердым вращающимся роликом закрепляют вместо резца токарного станка и прижимают к детали. Глубина упрочнения в этом случае достигает 15мм. Методы поверхностной пластической деформации не требуют сложного оборудования, квалифицированных рабочих. Важно, что они повышают усталостную прочность деталей. Недостатком является сравнительно малое упрочнение поверхности. Детали после такой обработки нельзя нагревать – упрочнение исчезнет. 2.7 Контрольные вопросы. 1.Как изменяются свойства металлов при пластической деформации? 2. Что влияет на размер зерен при рекристаллизации? 3. В чем преимущества холодной и горячей пластической деформации? 4. Как устранить в металле нежелательный наклеп? 5.Является холодной или горячей деформацией пластическая деформация : - железа при 350 С - свинца при 20 С? 6. Какие режимы упрочнения повышают усталостную прочность деталей? 2.8 Деформационное старение. В сталях после пластической деформации сравнительно небольшой нагрев ( примерно половина величины Тр ) может вызвать заметное повышение прочности и снижение пластичности и ударной вязкости. Такое явление называют ДЕФОРМАЦИОННОЕ СТАРЕНИЕ. Имеющиеся в стали атомы примесей получают при нагреве возможность ограниченно перемещаться в кристаллической решетке ( диффузия ) и скапливаются на ближайших дислокациях. Под нагрузкой это затрудняет движение дислокаций, тем самым снижается пластичность и растет прочность. Нагрев до более высоких температур повысит скорость диффузии, и атомы примесей смогут переместиться на границы зерен. Там нарушена кристаллическая решетка и атомам примесей разместиться проще. Механические свойства вернутся к исходным значениям. Указанное явление проявляется тем заметнее, чем больше примесей в стали. Для деталей, которые при работе нагреваются до невысоких ( для сталей 250 -350*С ) температур, применяют стали более чистые от примесей, если снижение пластичности нежелательно. |