Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Лабораторная работа №3

на тему Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов и сплавов

Выполнил студент гр. 1Б71 Мелехина Е.С.

Томск 2018 г.

Цель работы: Изучить влияние пластической деформации на структуру и механические свойства металлов.

I. Пластическая деформация металлов

Важнейшим и наиболее характерным свойством металлов является пластичность - способность претерпевать деформацию без разрушения. Если деформация металлов исчезает после снятия нагрузки, то это упругая деформация, а если остается - то это пластическая деформация.

При упругой деформации (рис.1, а) происходят небольшие смещения атомов из положения равновесия. Баланс кулоновских сил притяжения и отталкивания, которыми были связаны атомы, нарушается. При снятии нагрузки смещенные атомы под действием кулоновских сил возвращаются в исходное положение, деформация исчезает. С ростом нагрузки начинается пластическая деформация, которая осуществляется скольжением и двойникованием (рис.1, б, в) и остается после снятия нагрузки.

Рис.1.Схема деформации. а-упрогая, б-скольжение, в-двойникование.

Деформация скольжением. Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой синхронный сдвиг требует напряжений, которые во много раз превышают те, при которых в действительности протекает процесс деформации. Скольжение осуществляется в результате перемещения дислокаций по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов (рис.2.) и зависит от кристаллической структуры металла, скорости приложения нагрузки, температуры. При приложении касательного напряжения краевая дислокация перемещается вследствие разрыва старых межатомных связей и установления новых (рис.2, б, в), затем разрываются новые связи и т. д. Дислокация выходит на край кристалла (рис.2, д), на поверхности образуется ступенька. Скольжение одной атомной плоскости относительно другой происходит таким образом, что атомные слои не отделяются друг от друга (иначе кристалл бы разрушился), т. е. атомы в плоскости скольжения перемещаются на целое число трансляций.

Рис.2. Скольжение краевой дислокации.

Дислокации не обрываются внутри кристалла, а прерываются на других дислокациях или границах зерен. Направления скольжения совпадают с направлениями наиболее плотного расположения атомов.

Деформация двойникованием проявляется тогда, когда деформация скольжением затруднена. Этому способствует низкая температура и ударное нагружение. При двойниковании сдвиг происходит в ограниченном объеме на определенную величину, одна часть кристалла становится в положение, симметричное относительно другой. Легче всего двойникование идет в металлах с ГПУ решеткой, труднее - в металлах с ОЦК решеткой и труднее всего - в металлах с ГЦК решеткой.

Источник Франка-Рида. В процесс пластической деформации вовлекается большое число дислокаций. За исключением закрепленных дислокаций, которые не движутся, остальные дислокации должны были бы мигрировать к поверхности, оставляя за собой кристалл без дислокаций. Однако этого не происходит. Необходимое число дислокаций возникает из источника внутри кристалла. Краевая дислокация расположена в плоскости скольжения (плоскости рисунка) и закреплена в точках А и В другими дислокациями или примесными атомами (рис.3, а).

Рис.3. Схема источника Франка-Рида.

Под действием напряжения дислокация выгибается и принимает форму полусферы (рис.3, б). При уменьшении приложенного напряжения сила натяжения будет упруго выпрямлять дугу. При дальнейшем приложении напряжения, которое может быть меньше критического, дислокационная петля самопроизвольно расширяется (рис.3, в). Поскольку петля остается закрепленной, то она закручивается вокруг точек А и В (рис.3, г) в виде двух симметричных спиралей. На этой стадии возникают участки винтовой дислокации противоположного знака. В месте соприкосновения спиралей винтовые дислокации разного знака встречаются и взаимно уничтожаются. О ставшиеся линии, являясь краевыми дислокациями, уменьшают свою энергию, соединяясь вместе (рис.3, д). Это приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и новой дислокации, занимающей исходную позицию. Внешняя петля разрастается до поверхности кристалла (зерна), что приводит к элементарному сдвигу, новая дислокация начинает снова изгибаться. Из одного источника образуются сотни дислокаций.

При деформировании поликристалла с малой степенью деформации (не более 2-3%) отсутствует стадия возврата, и, соответственно, процесс фрагментации. Дислокации равномерно распределены по объему зерна. При большой степени деформации (более 5%) количество дислокаций резко возрастает. Происходит стадия возврата. Поскольку дислокация много, начинается процесс фрагментации. Зерна делятся на мелкие фрагменты, далее эти фрагменты, разделенные границами наклона и кручения, начинают поворачиваться и прокручиваться. В результате все мелкие фрагменты отдельного зерна будут вытянуты вдоль направления течения металла. Так образуется механическая структура.

a б в г

Рис.4. Микроструктура при пластической деформации. а - = 0 %; б - = 1 %; в - = 40 %; г - = 80 %

Экспериментальная часть

Задание:

1. Провести холодную деформацию медных образцов и определить изменение твердости в зависимости от степени деформации.

Степень деформации (рис. 5).рассчитывается по формуле:

= (h₀ - h_к)100/h₀, %,

деформация скольжение медь твердость

где h₀ - толщина образца до деформации, мм;

h_к - толщина после деформации, мм

Рис. 5. Вид образца меди до и после деформации

Результаты внести в табл. 1 и построить графическую зависимость.

2. Провести горячую деформацию образца меди с различной степенью и определить изменение твердости. Построить графическую зависимость.

3. Холоднодеформированный образец отжечь в течение 15 минут измерить твердость. Результаты внести в табл. 1 и построить зависимость.

Результаты эксперимента:

2. Определение зависимости твердости от степени деформации

Таблица 1 Результаты измерения твёрдости холоднодеформированного образца меди

Таблица 2 Результаты измерения горячедеформированного образца меди

Рис.6. Зависимость HB холоднодеформированной (1) и горячедеформированной (2) меди от степени деформации.

Ответы на вопросы:

1) Объясните старинный цирковой номер: почему согнутую силачом подкову предлагалось разогнуть зрителям, а не наоборот?

При сгибании подковы структура ее становится деформированной, она измельчается. Это связанно с явлением наклепа, т.е. явлением упрочнения металла. В связи с этим требуется больше сил, чтобы ее разогнуть.

2) Детали из низкоуглеродистой стали, полученные штамповкой в холодном состоянии, имели после штамповки неодинаковую твердость в различных участках: она колебалась от 120 НВ до 200 НВ. Твердость стали, до обработки, составляла 100 НВ. Объяснить, почему сталь получила разную твердость.

Сталь получила разную твердость в связи с тем, что она имела разную толщину, и разное количество углерода и других примесей.

3) Объяснить, можно ли отличить по микроструктуре металл, деформированный в холодном состоянии, от металла, деформированного в горячем состоянии, и указать, в чем заключается различие микроструктуры.

Отличить металл, деформированный в холодном состоянии, от металла, деформированного в горячем, можно, так как у них будут различаться микроструктура. При холодной деформации увеличивается плотность дислокаций, зерна вытягиваются в направлении деформации, увеличивается прочность металла и снижается пластичность. При горячей деформации микроструктура металла остается равноосной, без следов упрочнения.

4) Три образца низкоуглеродистой стали подвергались холодной деформации: первый на 5 %, второй на 15 %, третий на 30 %, а затем нагревались до 700 єС. Указать, в каком образце сформируется более крупное зерно. Как повлияет размер зерна на свойства стали?

Зерна будут примерно одинаковы во всех трех образцах. Так при нагреве происходит процесс рекристаллизации металла. Структура металла должна стать равноосной.

Выводы: Экспериментально изучили влияние пластической деформации на структуру и механические свойства металлов, изучили влияние нагрева на механические свойства деформированного металла.

Размещено на Allbest.ru