Вивчення дефектних структур конструкційних сталей після різних видів технологічної обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

_PAGE _

Вивчення дефектних структур конструкційних сталей після різних видів технологічної обробки

1. Теоретичні відомості

технологічний заготовка холоднодеформований сплав

Сучасними раціональними технологічними методами формоутворення заготовок є литво, обробка тиском, зварювання, механічна обробка та інші методи. Утворена різними методами технологічної обробки структура впливає на подальшу обробку заготовок та їх властивості. Тому важливо знати, яку структуру формує та чи інша технологічна обробка.

1.1 Структура литого металу

Для металів характерним є дендритний механізм росту кристалів. Максисальну швидкість рості кристалів можна спостеріагати по таких площинах і напрямках, які мають найбільшу густину упакування атомів. Внаслідок цього виростають довгі осі, які називають осями першого порядку. Під час росту на осях першого порядку виростають осі другого порядку, від яких відходять осі третього порядку і т.д. В останню чергу проходить кристалізація в ділянках між осями дендритів. Дендрити ростуть, доки не доторкнуться один до одного Після цього заповнюються міжосьові простори і дендрити перетворюються в кристали, які називають зернами або кристалітами.

Умови відведення тепла при кристалізації мають значний вплив на форму зерен. Кристали ростуть переважно в напрямку, протилежному відведенню тепла. Тому, при направленому відведенні тепла утворюються стовпчасті кристали. Якщо тепло від кристалу, що росте, відводиться у всіх трьох напрямках з приблизно однаковою швидкістю, формуються рівноосні зерна.

Після заповнення форми рідким металом починається його охолодження та кристалізація. Утворення і ріст кристалів відбувається біля стінок форми, а потім всередині тіла виливки. Швидкість охолодження виливки неоднорідна: максимальна - біля стінки форми, мінімальна - в центрі. Тому біля поверхні виливки метал має дрібнозернисту структуру (рис.1, зона 1), далі - зону стовпчастих дендритів (рис. 1, зона 2) і в центрі - зону крупнозернистих різноорієнтованих дендритів (рис. 1, зона 3).

Об'єм, що займають різні зони в злитку, залежать від хімічного складу сплаву, ступеню його перегріву, розміру та форми виливниці.

а) б)

Рис. 1. Будова сталевого злитка: 1 - шар дрібних кристалів, 2 - зона стовпчастих кристалів, 3 - зона рівноосних крупних кристалів, 4 - усадкова раковина (а) та схема дендриту (б)

У випадку перегріву і при відносно невеликих розмірах злитку зона стовпчастих кристалів може заповнити майже весь об'єм злитку. В зоні стовпчастих кристалів, як правило, немає бульбашок, раковин, тому для отримання щільних злитків вигідно підбирати умови кристалізації такими, щоб ця зона булла якумога більщою Але збільшувати зону стовпчастих кристалів у злитку вигідно тільки для пластичних металів. Для малопластичних металів, наприклад багатьох сталей, отримувати стовпчасті кристали невигідно, оскільки при наступній обробці металів тиском (кування, прокатування, штампування) у місцях стику стовпчастих кристалів з'являються тріщини.

Утворення зародків основного металу при температурі його кристалізації у реальному злитку є не таким швидким процесом. Тому величина зерна буде більшою, ніж це потрібно для забезпечення оптимальних властивостей металлу. В реальних умовах величину зерна регулюють не тільки вибором товщини стінок виливниці, але й шляхом зміни хімічного складу, ступеня його розкислення, температурою заливання металлу. Висока температура заливання призводить до збільшення розміру зерна металічної структури і до збільшення пререпаду температур в окремих зонах виливки, що підвищує ймовірність утворення гарячих тріщин.

Якість виливки значно залежить від ліквації. Розрізняють два види ліквації: дендритну і зональну.

Дендритна ліквація зумовлена тим, що осі дендритів менше забруднені домішками, ніж міждендритний простір. Така ліквація частково може бути усунена термічною обробкою (дифузійний відпал).

Зональна ліквація - це неоднорідність хімічного складу сплаву у різних частинах виливки. Така ліквація є тим більшою, чим повільніше охолоджується метал. На зональну ліквацію має значний вплив хімічний склад сплаву та швидкість охолодження форми. Чим більша виливка, тим повільніше вона охолоджується, а отже більшою буде зональна ліквація. У виливках з тонкими стінками ліквація є меншою. При наявності у виливках стінок різної товщини, ліквація концентрується у товстих частинах виливки. Тому при конструюванні відливки та проектуванні форми необхідно враховувати всі фактории, які впливають на якість виливки.

1.2 Структура холоднодеформованого металлу

Холодна пластична деформація викликає значні структурні зміни: збільшення густини вакансій та дислокацій, зменшення розміру блоків, подрібнення та деформування зерен (волокнистої структури), появу текстури деформації та виникнення значних залишкових внутрішніх напружень. При деформуванні полікристалічних тіл розрізняють транскристалітну та міжкристалітну деформацію. При навантаженні полікристалу зовнішніми силами деформація починається у деяких зернах з найбільш сприятливою орієнтацією площин ковзання. Зовнішнім проявом групових зсувів в цих окремих зернах є лінії ковзання, які часто спостерігаються на поверхні деформованого тіла і впершее Були виявлені Людерсом і Д. К. Черновим. У зв'язку з тим, що перші зсуви у зернах проходять у напрямках, за якими у деформованому тілі діють дотичні напруження, лінії ковзання на поверхні полікритсалічного тіла дозволяють зробити висновок про напрямок максимальних зсувних напружень, які викликані у тілі прикладеними до нього силами. Лінії Людерса-Чернова спостерігаються при навантаженнях, що не перевищують границю текучості. Збільшення деформації у полікристалі вище границі текучості призводить до того, що зерна набувають витягнутої форми у напрямку найбільш інтенсивного деформування металу. Визначена орієнтація витягнутих зерен називається волокнистістю структури.

Одночасно із зміною форми зерен під час деформації відбувається поворот кристалографічних осей окремих зерен у просторі. Це приводить до того, що при значній деформації виникає орієнтація кристалографічних осей зерен полікристалу, яку називають текстурою деформації. Виникнення текстури призводить до анізотропії властивостей.

Пластична деформація може супроводжуватись спрямованою дифузією домішок. При досить великому ступені деформації деякі неметалічні включення приймають форму, витягнуту у напрямку найбільш інтенсивного деформування металу, утворюючи так звану смугастість макроструктури. Смугастість макроструктури виявляють при травленні макрошліфа та при наявності значної кількості неметалічних включень візуально, або при невеликому збільшенні (х100). При цьому будова металу на макрошліфі має волокнисту структуру.

Деформований метал знаходиться у нерівноважному стані, тому самочинно перейти у більш рівноважний стан з меншою вільною енергією він може, головним чином, за рахунок зменшення загальної кількості дефектів кристалічних граток та їх перерозподілу.

1.3 Структура металу після віднови і рекристалізації

В основі віднови лежить зняття напружень у об'ємах з найбільшою енергією, яка була нагромаджена під час деформації. При віднові відбувається перерозподіл точкових дефектів, зменшення їх надлишкової концентрації порівняно з рівноважною при заданій температурі. Вакансії мігрують до дислокацій та границь зерен і тут анігілюють. Міжвузлові атоми також анігілюють на крайових дислокаціях та при зустрічі з вакансіями. При віднові відбувається лише невеликий перерозподіл дислокацій, густина їх суттєво не змінюється, структурних змін не спостерігається.

Полігонізація - це стадія віднови, при якій в межах кожного кристалу відбувається утворення нових малокутових границь. Вона відбувається при температурі вище 0,25Тпл., викликає переміщення дислокацій та виникнення дислокаційних стінок. Стінки дислокації одного знаку є малокутовою границею, яка розділяє сусідні субзерна з невеликою розорієнтацією граток, внаслідок чого утворюється полігональна структура.

Кінетика утворення полігональної структури залежить від наступних факторів: вихідної дислокаційної структури, яка виникає внаслідок пластичної деформації, або після інших процесів, хімічного складу сплаву, умов нагрівання тощо. Полігональний стан металлу є досить стабільним. Стійкість такої структури росте внаслідок взаємодії границьо зерен з атомами домішок та диспарсними часточками.

В результаті співдії ступеня деформації та температури нагрівання замість хаотичного розміщення дислокацій може виникнути коміркова структура.

У зв'язку з тим, що внаслідок полігонізації дефекти структури витісняються з тіла зерна, густина їх стає меншою, вони нагромаджуються на границях субзерен. Виділення домішок робить границі менш проникливими для дифузії і термічно більш стабільними.

Внаслідок первинної рекристалізації відбувається зародження та ріст нових зерен з більш досконалою структурою, яка відокремлена від деформованої матриці границями з більшим кутом розорієнтації (великокутовими). Атоми великокутових границь розміщені невпорядковано і мають підвищену рухливість. Тому великокутові границі здатні до швидкої міграції, а новоутворені зерна - до швидкого росту за рахунок деформованої матриці. Зародки рекристалізації виникають переважно на границях деформованих зерен та двійників, у смугах ковзання і біля включень. Ріст їх може проходити за рахунок сусідніх (менш досконалих) комірок і субзерен. В результаті групової коалесценції можуть утворюватись великокутові границі внаслідок зникнення окремих малокутових границь. Центрами рекристалізації можуть бути також великі субзерна, які утворилися в результаті розсипання полігональних границь. Із збільшенням ступеня деформації коміркова та субзеренна структура удосконалюються, тому число зародків рекристалізації збільшується. Закінчення рекристалізації супроводжується виникненням волокнистої структури.

Рис. 2. Зміна структури і властивостей деформованих металів при нагріванні

Розміри зерна, які утворилися після первинної рекристалізації, визначаються швидкістю зародження центрів рекристалізаціїта швидкості їх росту. При збиральній рекристалізації проходить ріст одних рекристалізованих зерен за рахунок інших, також рекристалізованих внаслідок міграції великокутових границь. При первинній рекристалізації утворені зерна мають неправільну форму та різні розміри, а в результаті збіральної рекристалізації, за рахунок міграції границь, зерна вирівнюються, границі зміщуються до центра кривизни.

При відпалі деформованого металлу може відбутись зміна текстури, яка виникла при деформації. Вона може перейти в аналогічну до попередньої текстуру рекристалізації. Але частіше виникає нова орієнтація зерен, відмінна від орієнтації у деформованому стані. На утворення текстури рекристалізації впливає багато факторів: вид обробки тиском, температура відпалу, комбінація різних деформацій та відпалу тошо. Керуючи цими процессами можна отримати потрібну текстуру рекристалізації.

1.4 Структура сплавів після гарячої деформації

Гаряча деформація, яку проводять при температурах, вищих за температуру рекристалізації, впливає на формування структури та властивостей сплавів, тому що при гарячій пластичній деформації одночасно відбуваються процеси зміцнення (наклепу) та знеміцнення (рекристалізації). Причому, рекристалізаційні процеси переважають. Таким чином в результаті гарячої деформації покращується структура металу:

руйнуються великіи дендрити та міжкристалічна плівка;

подрібнюються неметалічні включення;

утворюються більш рівномірні зерна;

відбувається ущільнення металу.

Гаряча деформація, змінюючи форми кристалів не порушує неоднорідності складу. В результаті прокатування або кування утворюється мікроскопічна рядкова структура:

у доевтектоїдних сталях утворюються ряди феритних та перлітних зерен;

у нержавіючих ферито-мартенситних сталях, наприклад, спостерігаються ряди фериту і мартенситу (характерна пошарова структура);

у швидкоріжучих сталях рядками розміщуються первинні та вторинні карбіди;

у феритних хромистих сталях також можна спостерігати направлене розміщення спеціальних карбідів хрому - карбідна неоднорідність.

Рядковість у розташуванні фериту та перліту призводить до значної анізотропії механічних властивостей та погіршує здатність оброблятися різанням. Такий дефект може бути викликаним недотриманням технологічного процесу обробки тиском. Значно частіше рядковість виникає внаслідок забруднення сталі неметалевими включеннями, переважно сульфідами, а також через ліквацію фосфору. Рядковість структури, викликана наявністю неметалевих включень, не усувається відпалом, призводить до утворення крупного дійсного зерна. Сталь з такою структурою називається пергрітою та має крихкий злам.

При прискореному охолодженні від високих температур у сталях можливе утворення відманштедтової структури. Утворення відманштедтового фериту у доевтектоїдних сталях проходить аналогічно до бейнітного перетворення. Для відманштедтового фериту маловуглецевих сталей характерна чітко орієнтована грубоголчаста структура. Габітусні площини віданштедтових кристалів фериту близькі до {111}. Кристали відманштедтового фериту містять велику кількість дислокацій. Всередині відманштедтових кристалів нема карбідних виділень. Цей ферит розміщується переважно у центральній частині аустенітних зерен. Утворення його супроводжується виникненням характерного рельєфу на поверхні шліфа (рис. 3). Перетворення відбувається за зсувним механізмом. Умовою протікання цього процесу є мала величина границь зерен аустеніту (грубозерниста структура). Температура утворення відманштедтової структури знижується зі збільшенням вмісту вуглецю.

а) б)

Рис. 3. Схема відманштедтової структури доевтектоїдної сталі: а) Ч360, б)Ч100

2. Практична частина

1. Схематично замалювати дефектні мікроструктури зразків після:

холодної обробки тиском;

гарячої обробки тиском;

в литому стані;

перегріту структуру;

перепалену структуру;

відманштедтову структуру;

Описати умови утворення дефектних структур та способи їх усунення.

Навести види технологічних обробок, при яких можливо утворення цих структур.

Описати вплив деформації структур на експлуатаційні властивості матеріалів.

Література

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.: ил.

2. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Практикум: [навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. за напрямом «Інж. механіка»] / В.В. Попович, А.І. Кондир, Е.І. Плешаков та ін. - Львів: Світ, 2009. - 551 c.

3. Конструкционные материалы: Справочник/Под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. - 687 с.

4. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальных вузов / А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 448 с.

Размещено на Allbest.ru