1.3 Експериментальна частина

1.3.1 Обладнання:

• біологічний мікроскоп;

• проектор;

• предметне скло;

• піч для нагріву.

1.3.2 Порядок виконання роботи

Невелику навіску солі Na₂S₂O₃ розплавити у пробірці. Краплину розплаву солі помістить на предметне скло нормальної температури і попередньо нагріте. За допомогою проектору і біологічного мікроскопу спостерігати процес кристалізації, зверніть увагу на залежність розмірів кристалів від температури переохолодження.

По результатам спостереження за проведенням досліду дайте пояснення: ‑ про місце утворення центрів кристалізації в першу чергу в краплині; ‑ про збільшення розмірів кристалів в напрямку до центру краплини; ‑ про вплив температури переохолодження на розміри кристалів; зобразіть схему процесу кристалізації.

1.4 Контрольні питання

1. Дайте визначення поняття кристалічної ґратки металу.

2. З точки зору електронної будови металів пояснить їх електропровідність.

3. Перелікуйте основні типи кристалічних ґраток металів.

4. Чому кристалізація неможлива при Т_Ѕ –теоретичної температурі кристалізації?

5. Яким чином температура переохолодження впливає на процес кристалізації?

6. Поясніть анізотропію властивостей монокристалів, ізотропність полікристалів.

7. Перелікуйте основні дефекти кристалічної ґратки металів.

8. Що таке поліморфізм заліза? Назвіть критичні температури алотропних перетворень заліза.

9. Дайте визначення аморфного тіла. Умови отримання металевих стекол.

10. Дайте термодинамічне обґрунтування процесу кристалізації.

Лабораторна робота 2

ВПЛИВ ХОЛОДНОЇ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ І

ТЕМПЕРАТУРИ РЕКРИСТАЛІЗАЦІЇ НА СТРУКТУРУ І

МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ

2.1 Мета роботи: встановити вплив холодної пластичної деформації і температури рекристалізації на структуру і механічні властивості (твердість) сталі

2.2 Теоретичні відомості

Процес деформації металів складається з пружної і пластичної до моменту руйнування.

Пружною (оберненою) називається така деформація, яка повністю зникає після зняття навантаження. Вона викликає невелике пружне зміщення атомів одного відносно другого, після зняття навантаження під впливом внутрішніх сил атоми повертаються в вихідний стан.

Пластична деформація – процес необерненої зміни розмірів зразку. Пластична деформація відбувається шляхом ковзання (зрушення) або двійникування.

Двійникування полягає в тому, що під дією дотичних напружень одна частина кристалу симетрично переорієнтовується відносно іншої частини; площина симетрії є площиною двійникування.

Ковзання є головним механізмом пластичної деформації. Під час ковзання частина кристалу пересувається відносно іншої його частини вздовж площини ковзання під дією дотичних напружень, що досягли критичної величини. Найлегше ковзання здійснюється у кристалографічних площинах, де густина атомів максимальна.

Ковзання в реальному монокристалі відбувається в результаті послідовного переміщення дислокацій. Під дією напружень дислокація поступово пересувається в площині ковзання поки не вийде на поверхню кристалу і не утворить на ній сходинку. Звичайно, що в цій площині перебуває не одна, а багато дислокацій і при виході їх на поверхню кристалу величина сходинки збільшується. При руху дислокацій не відбувається переносу мас, тобто ні один атом не переходить через весь кристал, а відбувається хвильове переміщення недосконалості, тобто зсув атомів на величину, меншу за атомної відстані, для чого потрібні невеликі зусилля.

Під час ковзання генеруються все нові й нові дислокації. Внаслідок зростання кількості дислокацій метал зазнає деформаційного зміцнення. Подальшому рухові дислокацій заважають такі перепони як інакше орієнтовані дислокації, тверді складові структури, границі блоків і зерен тощо. Метал з великою кількістю дислокацій деформувати важче. В місцях надто великого нагромадження дислокацій може утворитись навіть мікротріщини.

Ідеальні кристали володіють високою міцністю, тому що ковзання повинно проходити шляхом одночасного переміщення всіх атомів, що перебувають у площині ковзання. Така міцність називається теоретичною, для бездефектних кристалів заліза вона дорівнює 13500 МПа. З утворенням дислокацій в паралельних площинах ковзання міцність значно (у сотні і тисячі разів) знижується (рис. 2.1). Однак, подальше збільшення кількості дислокацій і інших дефектів викликає збільшення міцності. Це пояснюється тім, що подальше збільшення щільності дислокацій створюють перешкоди для вільного руху дислокацій. На практиці це явище використовують для зміцнення металів і сплавів: підвищення міцності шляхом легування, холодною пластичною деформацією (нагартування), термічною і термо-механічною обробкою.

Рисунок 2.1 – Залежність міцності від щільності дислокацій

Пластична деформація викликає зміну структури. Внаслідок пластичної деформації відбувається дроблення блоків мозаїчної структури, поворот зерен друг відносно другу і зміна їх форми – зерна витягуються уздовж доданої сили при розтягуванні і перпендикулярно при стискуванні. Кристалографічна структура з визначеним орієнтуванням зерен називається текстурою. Таким чином, пластична деформація викликає зміну кристалічної ґратки металів, що приводить до зміни механічних властивостей. Твердість, межа міцності, пружності збільшуються зі збільшенням пластичної деформації, характеристики пластичності падають. Зміцнення металів і сплавів внаслідок пластичної деформації називається нагартовкою або наклепом.

Деформований метал знаходиться в нерівноважному стані. При незначному нагріванні зникають недосконалості кристалічної ґратки. Структура при цьому не змінюється. Часткове відновлення механічних властивостей внаслідок зняття пружних недосконалостей кристалічної ґратки без зміни структури називається поверненням або відпочинком.

При більш високих температурах починається процес утворення нових рівновісних зерен. При цьому відбувається повна втрата міцності деформованого металу. Механічні і фізичні властивості повертаються до колишніх значень. Цей процес називається рекристалізацією (рис. 2.2). Формування нової структури починається в місцях зосередження дефектів: границях зерен, мікроосколках, дислокаціях. Температура рекристалізації складає:

Т_РЕК. = 0,2 …0,4 Т_ПЛ. - для чистих металів;

Т_РЕК. = 0,6… 0,8 Т_ПЛ. - для сплавів.

Рисунок 2.2 – Зміна механічних властивостей деформованого технічного заліза в залежності від температури

Пороговою температурою рекристалізації (Т_РЕК) називається найнижча температура , при якій починається рекристалізація. Т_РЕК залежіть від чистоти металів і попередньої пластичної деформації (зі збільшенням пластичної деформації Т_РЕК знижується).

Для зняття наклепу метал нагрівають до температури, що перевищує поріг рекристалізації (рекристалізацій відпал). Температура рекристалізаційного відпалу для низьковуглецевих сталей дорівнює 600…700°C, для латуней і бронз – 560…700°C, для сплавів алюмінію – 350…450°C.

Температура рекристалізації має велике практичне значення. Щоб пластична деформація викликала зміцнення металу (наклеп), вона повинна здійснюватися при температурах нижче за Т_РЕК. Така обробка тиском називається холодною. Якщо обробка тиском відбувається при температурах вище за Т_РЕК, то зміцнення металу не відбувається. Така обробка тиском називається гарячою. Для заліза мінімальна Т_РЕК = 450°C, рекристалізаційний відпал проводять при Т_РЕК = 600…700°C, гарячу обробку тиском - при Т_РЕК = 800…1300°C