Лабораторна робота №2

Вплив холодної пластичної деформації і температури рекристалізації на структуру і механічні властивості вуглецевих сталей.

2.1 Мета: спостерігати вплив холодної пластичної деформації на структуру і властивості (твердість) маловуглецевої сталі. Вивчити вплив температури рекристалізації на структуру і властивості (межу витривалості) холоднодеформованої маловуглецевої сталі.

2.2 Теоретичні відомості

Деформація – зміна розмірів і форми тіла під впливом зовнішніх сил.

Процес деформації металів складається з пружної і пластичної до моменту руйнування. Пружної (оберненої) називається така деформація, яка повністю зникає після зняття навантаження.

Пластична деформація — процес необерненої зміни розмірів зразку. Пластична деформація відбувається шляхом ковзання (зрушення) або двійникування внаслідок переміщення дислокацій. При руху дислокацій не відбувається переносу мас, тобто ні один атом не переходить через весь кристал, а відбувається хвильове переміщення дислокацій, тобто зсув атомів на величину, меншу за атомної відстані, для чого потрібні невеликі зусилля.

1) ковзання 2) двійникування

Рисунок 2.1- Механізм пластичної деформації

Пластична деформація в металах обумовлена естафетним рухом дислокацій.

При пластичній деформації металів відбувається збільшення щільності дислокацій.

Щільність дислокацій – це сумарна довжина всіх дислокацій в одиниці об’єму. Залежність механічних властивостей від цільності дислокацій відображає крива Одинга.

Кристали, які не мають дефектів мають високий поріг міцності

Реальні кристали мають щільність дислокацій 10⁶-10⁸ см^-2.

Рисунок 2.2 – Крива Одинга

При збільшенні щільності дислокацій відбувається збільшення міцності.

а) б)

Рисунок 2.3- Збільшення міцності: а) до пластичної деформації; б) після пластичної деформації

Пластична деформація викликає зміну структури. Внаслідок пластичної деформації відбувається дроблення блоків мозаїчної структури, поворот зерен відносно одне одного і зміна їх форми - зерна витягуються уздовж доданої сили при розтягу і перпендикулярно при стиску. 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 рівноосних зерен. При цьому відбувається повне знеміцнення деформованого металу. Механічні і фізичні властивості повертаються до колишніх значень. Цей процес називається рекристалізацією. Формування нової структури починається в місцях зосередження дефектів: границях зерен, мікроосколків, дислокаціях. Температура рекристалізації складає:

Т_рек. = 0,2... 0,4 Тпл. - для чистих металів;

Т_рек. = 0,6... 0,8 Тпл. - для сплавів.

1 2 3 4

Рисунок 2.4 – Механізм процесу рекристалізації.

Пороговою температурою рекристалізації називається температура рекристалізації, вище котрої відбувається знеміцнення металу.

2.2.1 Додаткова інформація

Кристалі́чна ґра́тка — геометрично правильне розміщення атомів (йонів, молекул), властиве речовині, що перебуває в кристалічномустані. Просторові фігури (наприклад, паралелепіпеди) у вершинах яких розміщено атоми, називаються комірками кристалічної ґратки, регулярна нескінченна система геометричних точок (вузлів ґратки), що є ідеально періодичною в трьох вимірах простору; існує 14 основних типів просторових ґраток.

Найменша комірка кристалічної ґратки, зсувом якої можна відтворити весь кристал, називається примітивною коміркою.

У випадку простої ґратки, у якій всі атоми одного сорту, примітивна комірка містить один атом. Найменша комірка, яка зберігає усі елементи симетрії кристалу, називається елементарною коміркою.

Навіть у випадку кристалу із одним сортом атомів елементарна комірка містить кілька атомів. Наприклад, кристал заліза має кубічну об'ємноцентровану ґратку із 2 атомами в елементарній комірці. При високих температурах залізо переходить у фазу з ґранецентрованою кубічною ґраткою із 4 атомами в елементарній комірці.

Розташування структурних елементів у кристалічних ґратках мінералів рідко відповідає цій класичній картині, яка характеризується послідовним розташуванням у ґратці атомів або йонів (так звані ідеальні кристали). На противагу ідеальним кристалам, для яких характерне правильне розташування і періодичність атомів або йонів, реальні кристали відрізняються рядом відхилень — дефектів кристалічної ґратки (дислокацій). Згідно з загальноприйнятою класифікацією, розрізняють такі дефекти кристалічної ґратки:

· пустий вузол, створений внаслідок випадання з ідеальної ґратки атома або йона;

· власний атом або йон ґратки, розташований між її вузлами;

· чужорідний атом або йон, розташований між вузлами ґратки;

· чужорідний атом, який заміщає власний атом ґратки;

· йон у ґратці в нормальному стані, але з аномальним зарядом.

Дефекти Френкеля: дефекти кристалічних ґраток, що полягають у розміщенні певної кількості атомів чи йонів у міжвузлях, при чому частина вузлів може залишитись незайнятою.

Дефекти Шоткі: дефекти кристалічних ґраток, що полягають у перенесенні певної кількості атомів чи йонів з вузлових позицій усередині кристала на його поверхню, частина вузлів відповідно залишаються незайнятою.

Енергія гратки

1. Змiна внутрішньої енергiї (ΔU при 0 К) в процесi взаємного вiддалення елементiв структури кристала з вiддалi, на якiй вони знаходяться в кристалi в рiвноважному станi, до нескінченностi.

2. Енергія, яка виділяється при уявному процесі, в якому ізольовані йони, які знаходились на нескінченній віддалі один від одного, зблизились з утворенням кристала йонної сполук