БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Механико-технический факультет Кафедра «Материаловедение в машиностроении» Материаловедение Тема 3 Деформация 1
Деформация металлов и сплавов. Теория Деформация – это явление изменения формы и размеров металлического тела под влиянием приложенных механических нагрузок. В процессе производства изделий из металлов и сплавов применяются методы основанные на деформации. К ним относятся: дробеструйная обработка, штамповка, листовая прокатка. При эксплуатации изделий деформация возникает при ударах, изгибе, кручении, растяжении в том случае, если приложенная сила превосходит предел текучести материала σТ Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. Упругая деформация под нагрузкой вызывает лишь изменение межатомного расстояния в кристаллической структуре. Снятие нагрузки приводит к прежнему состоянию кристаллической структуры и деформация исчезнет. При пластической деформации одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратиться на прежнее место – деформация сохраниться. Пластическая деформация поликристаллического тела разделяется на два вида деформации: внутрикристаллитную (по зерну) и межкристаллитную (по границам зерен). Внутрикристаллитная деформация осуществляется путем скольжения, двойникования, как в монокристалле. Межкристаллитная деформация осуществляется путем поворота, перемещения одних зерен относительно других. Оба вида деформации протекают одновременно. Двойникование характерно для чистых металлов (Cu, Au, Zn, Fe) и некоторых сплавов в которых деформация скольжением затруднена. При двойниковании сдвиг происходит только в ограниченном объеме зерна. Когда скольжение не возможно, часть ранее скользящего слоя изменяет направление движения, поворачиваясь на определенный угол относительно любой оси. Механизм пластической деформации скольжение возникает при больших степенях деформации и начинается вдоль плоскостей наиболее благоприятно ориентированных к направлению сдвига. Скольжение – последовательное перемещение одной части кристалла по отношению к другой в результате перемещения уже имеющихся в дислокаций или только возникающих.
Деформация материалов. Виды нагружения вызывающие пластическую деформацию Р, МПа Р Р, МПа Сжатие Р Пуансон Растяжение Р Р Заготовка Кручение Р Р Р Готовая деталь Матрица Срез Изгиб Штамповка кузовных панелей автомобиля основана на пластической деформации
Перемещения фронта деформации по механизму двойникования Пластическая деформация в чистых металлах (Cu, Fe, Al, Pb) протекает путем двойникования. Двойникование – поворот одной части кристалла в положение симметричное другой его части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования. Двойники а – механизм; б – микроструктура упругодеформированного чистого металла Схемы пластической деформации двойникованием 4
Механизм перемещения дислокаций при внутрикристаллитной деформации Перестройка атомов, происходящая при движении краевой дислокации вследствие приложения напряжения: а – показана дополнительная атомная полуплоскость А; б – дислокация начала перемещаться в сторону приложенного напряжения (часть А связывается с нижней частью плоскости В; в – появляется ступенька при существовании дополнительной полуплоскости Выход дислокации на межзеренную границу Выход и скопление дислокаций. Дислокации темные линии на светлом фоне. Микростроктура получена на электронном микроскопе.
Перемещение фронта деформации по межкристаллитному механизму Обжимные валки Направление вращения против часовой стрелки Р Микроструктура до пластической деформации Направление вращения по часовой стрелки Микроструктура после пластической деформации. Текстура деформации Р Прокатка (калибровка), сопровождаемая уменьшением диаметра металлического прутка. Р 1 3 2 3 1 2 Схема образования текстуры деформации в поликристаллитном теле: а – расположение зерен; б – изменение формы зерен в направлении главной деформации; в – текстура деформации; Р – нагрузка приложенная под углом в 45 градусов к зернам; 1, 2, 3 – номера зерен
Влияние пластической деформации на механические свойства металла Увеличение степени и интенсивности пластической деформации приводит к повышению плотности дислокаций, формируется текстура деформации. Из-за наличия в металле границ зерен, блоков, неметаллических включений, карбидов, других дислокационных структур движение дислокаций затруднительно и металл упрочняется. Упрочнение под действием пластической деформации называется – наклеп. Металл подвержен наклепу только при температурах ниже температуры рекристаллизации.
Рекристаллизация наклепанного металла Пластическая деформация приводит к созданию большого количество точечных и линейных дефектов, появляется текстура деформации. Подобное состояние металла является неустойчивым из-за возросшей внутренней энергии (внутренних напряжений). Такое состояние не свойтсвенно материалу, поэтому в нем возникают самопроизвольные процессы, направленные на возврат системы в более устойчивое структурное состояние. Данные процессы разделяются на возврат и рекристаллизацию. Возврат включает в себя отдых и полигонизацию. Рекристаллизация состоит из первичной, собирательной и вторичной стадий. Процессы возврата и рекристаллизации протекают при комнатной температуре, а при нагреве ускоряются. Температуру рекристаллизации можно рассчитать для каждого металла и сплава по формуле Бочвара Трек = α · Тпл, где α – это коэффициент равный 0, 3 – 0, 4 для металлов, а для сплавов 0, 8. Тпл – температура плавления металла или сплава. Рекристаллизация наклепанного металла требуется для возврата механических свойств к исходным до деформации. Данное выражение позволяет разделять деформацию на холодную (ниже Трек ) и горячую (выше Трек). В первом случаи происходит наклеп и упрочняется металл, во втором наклепа нет. Металл Температура рекристаллизации Температура плавления Коэффициент α Свинец 240 о. К - 33 о. С 600 о. К 327 о. С 0, 4 Цинк 277 о. К 5 о. С 693 о. К 420 о. С 0, 4 Железо 725 о. К 452 о. С 1812 о. К 1539 о. С 0, 4 Вольфрам 1474 о. К 1200 о. С 3683 о. К 3410 о. С 0, 4
Стадии рекристаллизации наклепанного металла Процессы рекристаллизации разделяются на возврат и рекристаллизацию. Возврат включает в себя отдых и полигонизацию. Рекристаллизация состоит из первичной, собирательной и вторичной стадий. Стадия отдыха металла наступает при температуре 100… 200 °С или 0, 05… 0, 2 Тпл металла. Отдых связан с диффузионным перераспределением точечных дефектов (вакансий и дислоцированных атомов) и их частичное взаимоуничтожение – аннигилирование. Стадия полигонизации наступает 300… 450 °С в металле возникает процесс формирования и роста блочной структуры зерен. Полигонизация приводит к снятию упругих искажений кристаллической структуры и более полному восстановлению физических свойств. Стадия первичной рекристализации наступает при 450… 700 °С. Она характеризуется зарождением и ростом на границах зерен и блоков, новых ровноосных зерен. Процесс завершается в момент исчезновения текстуры деформации и металл имеет мелкозернистую микроструктуру. Стадия собирательной рекристаллизации наступает свыше 700 °С. Данный процесс характеризуется ростом одних зерен за счет других. Вторичная рекристаллизация свыше 700 °С. Сопровождается ростом отдельных зерен за счет других Возврат и полигонизация 100 ○С 450 ○С Рекристаллизация Собирательная и вторичная рекристаллизация 700 ○С 800 ○С НВ – твердость; σВ – прочность на разрыв; δ – относительное удлинение; ψ – относительное сужение. Прочность и твердость металла с увеличением температуры рекристаллизации уменьшаются, а пластичность и вязкость увеличивается.
Практическое применение рекристаллизации металлов в производстве Обжимные валки Направление вращения против часовой стрелки Р Микроструктура до пластической деформации Р Направление вращения по часовой стрелки Микроструктура после пластической деформации и рекристаллизации. Текстура деформации отсутствует, зерна мельче, чем исходные. Прокатка (калибровка), сопровождаемая уменьшением диаметра металлического прутка. Операцию проводят с нагревом свыше Трек металла Деформация проволоки Цинкование Бухта проволоки Гидрохлорид Отжиг для снятия наклепа Дополнитель ное покрытие Конечный продукт Схема процесса обработки стальной проволоки. Оцинкованная проволока для сетки рабица Отжиг проволоки обязателен, так как после деформации проволока наклепана и имеет повышенную прочность, но низкую пластичность. Поэтому, чтобы избежать разрыва, проводят устранение наклепа.
Скачать презентацию БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Механико-технический факультет Кафедра Материаловедение
Деформация..ppt