4. Содержание отчета:

• Наименование работы и цель работы

• Краткие теоретические сведения

• Полученные результаты в виде таблицы, расчетов, рисунков, графиков зависимости доли кристаллов характерных зон от температуры разливки, гистограммы (от материала формы).

• Выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое кристаллизация и каковы условия её реализации?

2. Как изменяется свободная энергия жидкой и твердой фаз от температуры?

3. Какая разница между Т_о и Т_s?

4. Какую роль играет переохлаждение жидкого металла?

5. Какие два параметра определяют процесс кристаллизации?

6. От чего зависит размер критического зародыша?

7. Какие технологические факторы влияют на процесс кристаллизации?

8. Какие характерные зоны формируются при кристаллизации металлического слитка?

9. В чем состоит дендритная схема кристаллизации?

10. Какие виды ликвации возникают при кристаллизации?

11. Каковы особенности кристаллизации и строения сварных швов?

12. Как влияет температура жидкого металла перед разливкой и скорость охлаждения на структуру слитка и почему?

13. Как объяснить процесс кристаллизации капель пересыщенных солей?

Лабораторная работа №3 изучение структуры металлов и сплавов после холоднойи деформации и рекристаллизации

3.1 Цель работы: выяснить изменение структуры металлов и сплавов при холодной пластической деформации, а затем при нагреве до различных температур холоднодеформированного металла.

3.2 Краткие теоретические сведения

Под холодной пластической деформации (ХПД) понимается деформация ниже температуры рекристаллизации. Холодная деформация широко используется как важнейшая технологическая операция по формоизменению металлов и сплавов: это холодная листовая и сортовая прокатка, волочение, листовая штамповка. В результате ХПД существенно меняются свойства металлов и сплавов, в частности, возрастают твердость, прочность, упругость (что называется наклепом), а пластичность и вязкость – уменьшаются. Это обусловлено изменениями структуры под воздействием ХПД. Уже при малых напряжениях, пока степень деформации невелика (1%) наблюдается сдвиги в отдельных зернах (рис.3.1, б). Смещение и повороты одних зерен относительно других в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам. Плоскости, по которым происходят эти сдвиги, называются плоскостями скольжения. С увеличением степени деформации возрастает число зерен, претерпевающих сдвиги, различия между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура, зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (3.1, в). Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом (3.1, г). В этом случае формируется своеобразная кристаллографическая ориентация зерен в одном направлении, называемая текстурой деформации.

Рисунок 3.1 – Изменение микроструктуры металла после различной степени деформации: а – 0 %; б – 10 %; в – 40 %; г – 80 %

Рисунок 3.2 – Схема изменения микроструктуры холоднодеформированного металла при нагреве: а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в – завершение первичной рекристаллизации; г – собирательная рекристаллизация; д – вторичная рекристаллизация

Причиной упрочнения металла при наклепе по Г.В. Курдюмову является фрагментация и раздробление зерен на блоки размером 200-400, образованием ячеистой дислокационной структуры с повышенной плотностью дислокаций (особенно в стенках ячеек). Это затрудняет развитие пластической деформации и таким образом упрочняет металл. Однако дальнейшее увеличение степени деформации приводит к росту плотности дислокаций более 10¹² см^-2, образованию микротрещин и разрушению металла.

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией у большинства металлов, устойчива при температуре 25 ⁰С. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве.

Процессы, происходящие при нагреве холоднодеформированного металла, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию.

Возврат протекает при более низких температурах ниже 0,3 Т_пл, рекристаллизация - при более высоких. Возвратом называют изменение тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры (формы и размера зерен) деформированного металла.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения.

В свою очередь возврат подразделяют на отдых и полигонизацию, причем отдых при нагреве развивается всегда, а полигонизация – лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов (вакансий) и перераспределением дислокаций. При этом твердость и прочность уменьшаются на 15% и увеличивается пластичность.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. В результате кристалл разделяется на субзерна – полигоны, свободные от дислокаций.

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизироваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Если степень ХПД меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации находится в пределах 2-7%; для алюминия она близка к 2, для железа и меди – к 5%.

Важным параметром является температура рекристаллизации; это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Для металлов технической чистоты:

Т_рекр – (0,3…0,4) · Т_пл

Для твердых растворов

Т_рекр – (0,5…0,6) · Т_пл

Зарождение новых зерен при рекристаллизации начинается в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах и стыках деформированных зерен (рис. 3.2, б). Чем выше степень деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации. С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке, что называется первичной рекристаллизацией обработки (рис. 3.2, в). По завершении первичной рекристаллизации при увеличении выдержки или температуры наблюдается рост образовавшихся зерен (рис. 3.2, г). Эта стадия называется собирательной рекристаллизацией.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный ХПД: уменьшаются прочностные характеристики (σ_в, σ_0,2) и повышается пластичность (δ, ψ) металлов и сплавов.

Вторичная рекристаллизация или аномальный рост зерен, происходит после первичной и собирательной рекристаллизации при дальнейшем повышении температуры. Она заключается в том, что отдельные зерна вырастают до больших размеров, в то время как остальные практически не увеличиваются (рис. 3.2, д). Разнозернистость способствует снижению механических свойств.