Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема установки.

3. Таблица с экспериментальными и расчетными данными.

4. График зависимости модуля Е от состава исследованных сплавов.

5. Расчет относительной погрешности определения Е для одного из образцов.

6. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается физический смысл модуля Е материалов?

2. Как влияет на величину Е изменение температуры?

3. Как влияет на величину Е изменение состава и структуры сплавов?

4. Чем можно объяснить анизотропию упругих свойств монокристаллов?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл.V, §I, гл. ХХIV, §2, 3.

2. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. – М.: Мир, 1977, гл. З8.

3. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986, гл. 4, 11.

4. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение. – М.: «МИСИС», 1999.

Часть 2. Деформационное упрочнение и рекристаллизация

Цель работы: исследовать закономерности изменения прочностных свойств металлических материалов при изменении их структуры в результате пластического деформирования и последующего нагрева.

Содержание работы

Известно, что при деформировании многих металлических материалов на фоне упругой, то есть обратимой деформации, появляется пластическая деформация, являющаяся необратимой. Пластическая деформация, происходящая при достаточно низких температурах, приводит к возрастанию сопротивления деформированию, которое называется деформационным упрочнением. Это сопровождается изменением многих других физико-химических свойств материалов. После нагрева деформированного материала выше некоторой температуры изменение всех свойств, вызванное деформированием, исчезает.

Пластическое деформирование и изменение свойств, вызванное пластическим деформированием и последующим нагревом, используется или учитывается в технологических процессах, связанных с формоизменением, а также с оптимизацией структуры, механических и физико-химических свойств материалов.

Рассмотрим физическую сущность указанных явлений и их практическое применение.

Пластическая деформация металлических материалов осуществляется, в основном, за счет движения линейных дефектов кристаллической решетки - дислокаций. Дислокации при своем движении испытывают тормозящее воздействие со стороны различных препятствий в кристаллической решетке. Чем сильнее тормозятся дислокации, тем большее напряжение нужно создать в материале для осуществления пластического деформирования.

В чистых металлах одной из основных причин торможения дислокаций является их взаимодействие с другими дислокациями. Очевидно, что величина этого взаимодействия будет зависеть от степени насыщенности кристаллов дислокациямиплотности дислокаций  (см^-2), равной суммарной длине дислокаций, приходящихся на единицу объема

V, 

где  - суммарная длина всех дислокаций, содержащихся в объеме V кристалла. Эффективным способом повышения  является само пластическое деформирование, в результате которого происходит не только движение, но и интенсивное размножение дислокаций. Поэтому в процессе пластического деформирования металлических материалов, находящихся в холодном состоянии (при Т существенно ниже 0,4Т_пл), возникает деформационное упрочнение (рис.1).

Кривая растяжения поликристаллического образца (рис. 1) на участке деформационного упрочнения (2) подчиняется зависимости

=_У+·b·G·^1/2,

где  - напряжение деформирования; _У – предел упругости (напряжение, до которого деформация остается упругой); ~1 – постоянная; G =10⁴-10⁵ МПа - модуль сдвига; b~10^-8 см - вектор Бюргерса, характеризующий степень искаженности кристаллической решетки вокруг дислокации;  – плотность дислокаций, которая может изменяться для технических металлов (10⁶ см^-2 у отожженных, 10¹² см^-2 у предельно деформированных металлов).

Таким образом, прямым следствием пластического деформирования является увеличение прочностных свойств материалов: предела упругости (_У), предела текучести (_T), предела прочности (_в), твердости (НВ).

Рис. 1. Кривая растяжения поликристаллического образца:  - напряжение деформирования,  - относительная деформация, 1 - участок упругой деформации, 2 - участок пластической деформации и упрочнения

Изменение дислокационной структуры приводит к изменению и других свойств металлических материалов. Пластичность материала, характеризуемая величинами максимального удлинения () и сужения (), снижается вследствие уменьшения длины свободного пробега дислокаций и их закрепления на препятствиях. Магнитная проницаемость () уменьшается, а коэрцитивная сила (Н_с) и остаточная индукция (B_r) ферромагнитных материалов растут, Это связано с торможением междоменных границ дислокациями и другими дефектами, возникшими в процессе пластического деформирования. Удельная электропроводность () снижается, потому что появившиеся точечные дефекты и, в меньшей степени, дислокации нарушают строгую периодичность кристаллической решетки, тем самым способствуя рассеянию электронных волн. Плотность материала уменьшается, так как возникшие дефекты уменьшают плотность упаковки атомов. Коррозионная стойкость снижается из-за повышения химической активности вблизи дислокаций и легкого проникновения чужеродных атомов вдоль дислокаций с поверхности внутрь кристалла.

В поликристаллическом материале (рис.2а) при достаточно большой степени деформации проявляется анизотропия свойств, вызванная вытягиванием и преимущественной ориентацией отдельных зерен в направлении деформации, то есть возникновением текстуры (рис. 2б). Это может сопровождаться раздроблением зерен поликристалла и появлением трещин.

Рис. 2. Структура поликристалла: а) в исходном состоянии; б) после холодной пластической деформации; в) после рекристаллизации

Деформационное упрочнение широко используется на практике как способ упрочняющей обработки, в частности, чистых металлов. Однако, во многих случаях изменение физико-механических свойств, наблюдающееся в результате пластической деформации, оказывается нежелательным. Восстановление исходных свойств достигается путем термической обработки – нагрева деформированного материала.

При пластическом деформировании, особенно в холодном состоянии (Т<0,2Т_пл), часть энергии, расходуемой на деформацию (~15%), аккумулируется в виде потенциальной энергии образовавшихся дефектов, поэтому пластически деформированный материал, как термодинамическая система, переходит в энергетически невыгодное, но относительно устойчивое состояние, называемое метастабильным.

Повышение температуры увеличивает подвижность атомов и система может самопроизвольно перейти в более равновесное состояние, что приводит к уменьшению дефектности решетки. Процессы, происходящие в пластически деформированном металле технической чистоты (~0,01% примесей) при его нагреве, можно представить несколькими этапами (рис. 3).

1. Отдых.

Начиная с Т~0,2Т_пл в материале происходит перераспределение точечных дефектов, в частности вакансий, и уменьшение их концентрации. Эволюция вакансий способствует перегруппировке и взаимному уничтожению дислокаций только в местах их наибольшего скопления. Это обеспечивает лишь небольшое суммарное снижение плотности дислокаций. Поэтому отдых приводит к увеличению электропроводности, мало изменяя остальные свойства деформированного материала (рис. 3, участок а).

Рис. 3. Изменение свойств при нагреве холоднодеформированного материала: 1 - , , ; 2 - ; 3 - _у,_T, _в, НВ, Н_с

2. Полигонизация.

При Т~0,3Т_пл во всем объеме деформированного материала получает развитие самопроизвольное перераспределение дислокаций в энергетически выгодные конфигурации и продолжается уменьшение их плотности. Вследствие этого значительно уменьшаются поля напряжений, ранее вызванные скоплением дислокаций. Полигонизация приводит к дальнейшему увеличению электропроводности и небольшому изменению уровня других свойств (рис. 3, участок б). Однако, этот этап наступает только после малых степеней деформации. При больших степенях деформации полигонизация подавляется рекристаллизацией.

3. Рекристаллизация.

С температуры Т~0,4Т_пл резко активизируется процесс взаимного уничтожения дислокаций. Участки, освободившиеся от излишних дислокаций, становятся центрами рекристаллизации - зародышами новых зерен, которые при дальнейшем росте заполняют весь объем материала. Процесс появления зародышей и роста новых кристаллических зерен называется рекристаллизацией. Первичная рекристаллизация заканчивается, когда в материале исчезают деформированные зерна. При дальнейшем повышении температуры и увеличении времени выдержки развивается собирательная рекристаллизация, которая заключается в укрупнении новых зерен и уменьшении их количества. Рекристаллизация сопровождается полным восстановлением свойств материала и зеренной структуры с плотностью дислокаций, соответствующей исходному отожженному состоянию (рис. 2, в; рис.3, участок в).

Температуру начала рекристаллизации нередко называют температурой рекристаллизации (Т_р). Значение Т_р зависит от ряда факторов:

1. от температуры плавления, так как величина Т_пл определяет энергию межатомной связи (Т_р ~ 0,4Т_пл для технически чистых металлов после деформации ~70%, и выдержке ~ 1,5 часа);

2. от степени деформации, с увеличением которой Т_р уменьшается, потому что с увеличением степени деформации увеличивается плотность дислокаций и, соответственно, увеличивается энергетическая нестабильность структуры; кроме этого уменьшается среднее расстояние между дислокациями, в результате чего возрастает вероятность их взаимного уничтожения;

3. от концентрации примесей, с увеличением которой значение Т_р увеличивается (до 0,6·Т_пл для твердых растворов), так как атомы примесей затрудняют перераспределение дислокаций.

На практике, для полного восстановления структуры и свойств, производят операцию рекристаллизационного отжига, при котором плотность дислокаций максимально уменьшается, и проходит собирательная рекристаллизация. Его программа включает в себя нагрев до температуры Т_ро, которая больше Т_р на ~ 0,2Т_пл, выдержку и последующее охлаждение со скоростью, зависящей от вида материала, а также формы и размеров детали. Как правило, скорость охлаждения невелика. Следует избегать перегрева, вызывающего вторичную рекристаллизацию, связанную с сильным ростом отдельных зерен. Это приводит к снижению пластичности.

Рекристаллизационный отжиг применяется перед холодной обработкой давлением для придания материалу наибольшей пластичности или как окончательная операция для возвращения материалу исходного уровня свойств.

В зависимости от температуры, при которой производится пластическое деформирование, различают холодную и горячую обработки давлением. Холодная обработка давлением осуществляется при температурах существенно ниже Т_р, горячая – при температурах, превышающих Т_ро.

В данной работе предлагается на примере образцов меди проследить за изменением твердости, которое наблюдается в процессе холодного пластического деформирования и последующего нагрева на различные температуры.

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о природе деформационного упрочнения и рекристаллизации.