Пластична деформація та рекристалізація металів

Мета роботи:

1. Ознайомитись з впливом пластичної деформації на структуру металу.

2. Провести дослідження зміни механічних властивостей металу після деформування і рекристалізації.

Загальні відомості

Сила, прикладена до металу, утворює два роди напружень: нормальні F_n і дотичні F_τ. Нормальні напруження викликають зближення атомів або їхнє віддалення; в останньому випадку тіло може руйнуватися. Дотичні напруження викликають рух однієї частини кристалу відносно другої (рис. 10, 11, 12).

Для металів характерна наявність дефектів у вигляді лінійних та гвинтових дислокацій (Рис. 11). Таким чином, метали мають здатність під впливом напружень змінювати форму кристалів шляхом переміщення атомів на місце відсутніх атомів (вакансій) або за рахунок переміщення дислокацій.

Рис.10 - Дія сили на кристал

Рис. 11 - Дія нормальних напружень: а) напруження відсутні; б) пружний стан; в) руйнування кристалу

Деформація - це зміна форми та розмірів тіла під впливом зовнішнього навантаження або внутрішніх напружень. Деформація може бути пружною, коли після усунення навантаження форми і розміри тіла приймають початковий вигляд (наприклад, пружина) або пластичною, при якій цього явища не спостерігається.

Рис. 12 - Дія дотичних напружень: а) напруження відсутні; б) пружне деформування; в) пластичне деформування

За рахунок деформування кристалів вони змінюють форму стосовно діючих сил і замість зернистої структури починає спостерігатися так звана текстура (рис. 13). Окремі елементи текстури мають назву волокон. Особливістю текстури є те, що, по-перше, метал зміцнюється, по-друге, його властивості починають залежати від напрямку (явище анізотропії). Анізотропія виявляється в тому, що перерізати волокна або розірвати їх набагато важче, ніж відокремити одне волокно від другого (рис. 14).

Рис. 13 - Схема структури металу: а) зерниста; б) текстура

Рис. 14 - Схема розташування волокон у крюку: а) неправильна; б) правильна

Текстуру, набуту пластичною деформацією, можна усунути нагріванням до певної температури. Цей процес має назву рекристалізації. Для кожного металу існує своя температура рекристалізації. При досягненні порогу рекристалізації (мінімальній температури, при якій починається рекристалізація) в деформованому металі утворюються центри кристалізації, навколо яких народжуються нові кристали. Після відновлення зернистої структури властивості металу також відновлюються.

Порядок виконання роботи

Для дослідження студенту дають зразки, які були деформовані з різним ступенем деформації (0, 10, 20 і 30 %). Треба виміряти твердість за методом Брінелля і переконатися в тому, що твердість з ростом ступеня деформації також зростає.

Другим етапом роботи є відпалення зразків на рекристалізацію з подальшим виміром твердості. Температуру відпалу розраховують за формулою

Т_рек = а·Т _пл.,

де Т_рек - поріг рекристалізації, К;

Т_пл - температура плавлення металу, К;

а – коефіцієнт, що залежить від металу (для сплавів алюмінію а = 0,35).

Твердість за методом Брінелля вимірюють шляхом укорінювання сталевої загартованої кульки (індентор) певного діаметру (2,5; 5,0; 10,0 мм). Діаметр кульки залежить від очікуваної твердості - чим вище твердість, тим менше діаметр кульки. Навантаження на кульку вибирають за таблицею залежно від роду металу й діаметра кульки. Твердість за Брінеллем позначається літерами НВ, наприклад 144 НВ.

Після закінчення вимірів твердості потрібно розрахувати твердість за формулою

,

де Р – навантаження, Н;

D – кульки, мм;

d – діаметр відбитка, мм.

Отримані дані звести в таблицю і побудувати графік. Криві позначити: „після деформації”, „після рекристалізації”.

Запитання для самоконтролю

1. Що таке деформація?

2. Які види деформації існують?

3. Що трапиться з властивостями металу після деформації?

4. Як необхідно орієнтувати навантаження відносно текстури?

5. Що таке рекристалізація?

6. Як впливає рекристалізаційний відпал на властивості деформованого металу?

Лабораторна робота № 7