Материал: 2394

Практическая работа n 2 пластическая деформация и рекристаллизация металлов и сплавов

Цель работы: определить влияние холодной пластической деформации и

последующей термообработки на структуру и механические свойства метал-

лов и сплавов.

Задания

1. Используя литературные источники, изучить влияние упругой и пластической деформации на изменение структуры металлов и сплавов на микро- и субмикроуровнях, а также наклепа на изменение физических, химических и механических свойств.

2. Определить влияние степени холодной пластической деформации

γ%, на твердость α-латуни и построить график зависимости НВ =f (γ).

3. Рассчитать температуру начала рекристаллизации для α -латуни, используя формулу А.А. Бочвара.

4. Изучить влияние отжига на прочность α -латуни.

5. Определить температуру рекристаллизационного отжига и области холодной и горячей обработки α -латуни.

6. Ответить на контрольные вопросы.

7. Составить отчет.

Общие положения

Явление упрочнения металла при холодной пластической деформации называется наклепом, изменяются не только механические, но и физические, химические свойства: увеличивается электросопротивление, снижается магнитная проницаемость, понижается коррозионная стойкость.

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. При нагреве деформированного металла происходят явления возврата и рекристаллизации, возвращающие металл в равновесное состояние. Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. При этом уменьшается плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения (аннигиляция).

Дальнейшее повышение температуры приведет к тому, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя дислокационные стенки и создавая ячеистую структуру (процесс полигонизации), которая может быть устойчивой и может затруднить процессы, развивающиеся при более высокой температуре.

Рекриталлизация протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начинаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры.

Температура начала рекристаллизации или температурный порог рекристаллизации может быть определен по формуле А.А. Бочвара:

Трек= αТпл ,

где – α- коэффициент, зависящий от состава и структурного состояния металла

( для чистых металлов α= 0,1 – 0,2; для металлов технической чистоты α= 0,3 – 0,4; для сплавов α= 0,6 – 0,8); Тпл – температура плавления, К.

Первичная рекриталлизация характеризуется процессом образования новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры

деформированного металла. После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других (собирательная рекристаллизация).

Различают холодную и горячую деформации. Деформация, которая проводится ниже температуры рекристаллизации, называется холодной, она сопровождается наклепом. Деформация, осуществляемая выше температуры рекристаллизации, называется горячей, здесь упрочнение, вызванное пластической деформацией, снимается рекристаллизацией, протекающей при температурах деформации.

Порядок выполнения работы

1. Первое задание студенты выполняют дома, при подготовке к практическим работам.

2. Работа выполняется в следующем порядке. Группа студентов делится на бригады. Первая бригада измеряет штангенциркулем высоту недеформированного и деформированного образцов с точностью до 0,1 мм и

рассчитывает степень деформации по формуле

Hо –H₁

γ=--------- · 100%

Hо

где Н0 – высота недеформированного образца; Н1 – высота деформированного образца.

Замеряется твердость по Роквеллу (HRB) недеформированного и деформированных образцов, результаты измерения заносятся в табл. 6.1, строится

график зависимости НRВ =ƒ(γ,%).

Таблица 2.1

3. Вторая группа студентов отжигает в печи образцы с наибольшей степенью деформации при t = 200 , 400, 600 °С в течение 20 минут и измеряет твердость по Роквеллу (HRB), результаты измерений заносит в табл. 6.2.

Таблица 2.2

4. Рассчитать температуру начала рекристаллизации α-латуни (Л80,tпл = 1059 °С) по формуле А.А. Бочвара: Трек =  α Тпл ..

5. Построить график зависимости: НRВ ƒ(tотж) и определить ориентировочно температуру начала рекристаллизации α-латуни.

Содержание отчета

1. Задание и цель работы.

2. Табл. 2.1 с экспериментальными данными твердости деформируемой α- латуни. График зависимости твердости α- латуни (НRВ) от степени деформации, γ%.

3. Расчет температуры начала рекристаллизации а - латуни (Л80).

4. Табл. 2.2 с экспериментальными данными по твердости отожженной α- латуни при t = 200, 400, 600 °С. График зависимости твердости α– латуни (НRВ) от температуры отжига.

5. Ответ на контрольный вопрос.

6. Список использованной литературы.

Контрольные вопросы

1. Что такое упругая деформация металлов и сплавов? Физические методы определения упругой деформации.

2. Что такое пластическая деформация металлов и сплавов?

3. Диаграмма напряжение – деформация для пластичных и хрупких металлов. Характеристики пластической деформации для пластичных и хрупких материалов.

4. Как происходит пластическая деформация в моно- и поликристаллах? Текстура деформированных материалов.

5. Что такое дислокация и плотность дислокаций?

6. Какова плотность дислокаций в отожженных и наклепанных образцах?

7. Физическая сущность наклепа.

8. Как влияет наклеп на физические, химические и механические характеристики наклепанного материала?

9. Отдых и полигонизация. Изменение структуры, физических, химических и механических свойств металлов и сплавов.

10. Первичная рекристаллизация металлов и сплавов. Изменение физических, химических и механических свойств металлов и сплавов.

11. Вторичная рекристаллизация металлов и сплавов. Как влияет вторичная рекристаллизация на изменение механических свойств наклепанных материалов.

12. Критическая степень деформации.

13. Холодная и горячая обработка металлов и сплавов. Области применения.

Практическая работа n 3 микроструктурный анализ цветных сплавов

Цель работы: изучение микроструктуры и свойств цветных сплавов, установление связи между структурой сплава и соответствующей диаграммой.

Задания

1. Зарисовать диаграммы фазового равновесия следующих систем Cu-Zn (до 50 % Zn), Cu-Sn (до 30 % Sn), Al-Si, Al-Cu.

2. Построить кривые охлаждения для четырех сплавов (состав задает преподаватель) указанных систем и описать процессы превращений, происходящие в сплаве.

3. Провести под микроскопом анализ структуры следующих сплавов:латуней (α, α+β), оловянистой бронзы Бр05 (литье, отжиг), силумина АЛ2 до и после модифицирования, титановых сплавов, баббита (Б83).

4. Ответить на контрольные вопросы.

5. Составить отчет.

Общие положения

Цветные сплавы широко используются в промышленности. Рассмотрим структуру наиболее часто применяемых сплавов.

Сплавы меди. Медные сплавы разделяют на две группы: латуни – сплавы меди с цинком и бронзы – сплавы меди со всеми другими элементами.

Латуни – сплавы меди с цинком содержат не более 45 % цинка. Различают однофазные латуни α, содержащие до 39 % цинка (Л70, Л68, Л62), и двухфазные (α+ β ), содержащие 39-45 % цинка (Л60, Л59, ЛЦ40Мц1.5)(ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-93).

Однофазные латуни состоят из зерен однофазного твердого α –раствора. Они не упрочняются при термической обработке, так как при нагревании до

температуры плавления их структура не изменяется. Повысить прочность

однофазных латуней можно только при холодной деформации.

Неодинаковая окраска зерен под микроскопом возникает вследствие анизотропии.

Латунь Л68 (68 % меди, остальное цинк) обладает высокой пластичностью, антикоррозионной стойкостью и используется чаше для изготовления изделий прокаткой и штамповкой (проволока, листы, трубы и др.). К двухфазным латуням (α+ β) относятся сплавы, содержащие от 30–45 % цинка.

Латунь Л59. В структуре этой латуни, кроме α– фазы, присутствует более твердая и хрупкая β '. Под микроскопом кристаллы β ' – фазы имеют темную окраску (рис. 3.1, а).

При температуре выше 454 °С в двухфазных латунях присутствует фаза β, которая отличается большей пластичностью. При 454 °С в фазе βпроисходит процесс упорядочения, образуется β ', фаза имеет большую твердость и очень низкую пластичность, что затрудняет обработку сплавов давлением в холодном состоянии. Поэтому двухфазные латуни деформируют при температуре существования фазы (рис. 3.1, б) β.

Применяются сложные латуни, в которые для изменения механических и

химических свойств дополнительно вводят свинец, олово, кремний, алюминий (свинец улучшает обрабатываемость резанием ЛС 59-1), олово повышает коррозионную стойкость (ЛО 60-1), кремний и алюминий повышают механические свойства (ЛК 80-3, ЛА77-2).

Бронзы – это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием. Сплавы меди с оловом – оловянистые бронзы (Бр 010, 10 % Sn, остальное – Сu) очень давно и широко применяются в промышленности благодаря высокой коррозионной стойкости и антифрикционным свойствам. Микроструктура литой оловянистой бронзы (рис. 3.1, в) состоит из неоднородного твердого α–раствора (твердого раствора олова в меди) и эвтектоида α+ Cu31Sn8. Темные участки неоднородного твердого α –раствора богаты медью, светлые – оловом, в эвтектоиде, на светлом фоне соединения Cu31Sn8 видны темные точечные включения α –фазы.

В последнее время оловянистые бронзы заменяются более дешевыми и

прочными алюминиевыми бронзами. Алюминиевые бронзы содержат до 11% алюминия, для повышения механических свойств в них добавляют железо и никель.

Бронзы, содержащие до 8% алюминия, – однофазные (БрА-7), состоят из твердого раствора, при термической обработке не упрочняются, для упрочнения проводят холодную деформацию.

В двухфазных бронзах, содержащих 9 – 11 % алюминия, в твердом состоянии происходит эвтектоидное превращение (БрАЖН-10-4.4). После отжига в структуре этих доэвтектоидных бронз видны светлые зерна твердого раствора и участки пластинчатого эвтектоида (α+ γ 2). В отожженном состоянии бронзы очень пластичны. Для повышения твердости проводят термическую обработку, которая состоит из закалки с 900 °С в воду и отпуска 650 °С. После закалки они имеют игольчатую структуру, состоящую из зерен αи  β твердых растворов. Алюминиевые бронзы имеют хорошие механические и высокие антифрикционные свойства.

Сплавы на основе алюминия обладают малой прочностью. Для получения прочных сплавов их легируют различными элементами в количествах,

способствующих образованию двухфазной структуры (ГОСТ 1583-89,ГОСТ 4784-74).

Типичными представителями деформируемых сплавов на алюминиевой основе являются дюралюминий (ДI, Д16) и литейных – силумин АЛ2 (ГОСТ 4789-97).

Литая структура дюралюминия характеризуется наличием фазы αс расположенными по ее границам кристаллами S–фазы и Аl2Сu. После закалки из области α -твердого раствора от температуры 505 – 510 °С сплав приобретает однородную структуру. Процесс старения сплава Д1 (3,8 – 4,8 % Сu: 0,6 % Mg;

0,6 % Mn; < 0,7 % Si) приводит к выделению дисперсионных частиц S-фазы и (Аl2Сu), невидимых под оптическим микроскопом.

Сплав Д1 обладает достаточной прочностью и пластичностью. Прокаткой или штамповкой из него изготовляют листы, прутки, трубы и др.

Рис. 3.1. Микроструктуры (х 100):

а – литая латунь Л59 (α+β); б – латунь (α+β )после

деформирования; в – литая бронза Бр05;

г – бронза после деформирования и рекристаллизации

Структура не модифицированного литого сплава алюминия с кремнием

(рис. 3.2, а) имеет грубое строение и состоит из крупных удлиненных кристаллов кремнистой фазы β, расположенной на фоне α -фазы, богатой алюминием. Сплав АЛ2 (10–13 % Si) того же состава, модифицированный натрием при его выплавке, характеризуется структурой, состоящей из эвтектической смеси и обособившихся кристаллов твердого α -раствора (рис. 3.2, б).

а б

Рис. 3.2. Микроструктура алюминиевого сплава АЛ2, х 250:

а – литой не модифицированный: α-твердый раствор и

β-кремнистая фаза игольчатой формы; б – модифицированный:

α -твердый раствор и эвтектика тонкого строения

Сплав АЛ2 обладает коррозионной стойкостью и хорошими литейными

свойствами, применяется для литья (крышки, кожухи, барабаны и др.).

Антифрикционные сплавы (баббиты) применяются для заливки вкладышей подшипников. Они должны быть одновременно и твердыми для уменьшения коэффициента трения, и мягкими, давая возможность вкладышу прирабатываться к валу. Для этого им придают структуру, состоящую из мягкой основной массы и твердых кристаллов (рис. 3.3). Подшипниковые сплавы должны иметь, кроме того, не слишком низкую температуру плавления, обладать хорошей теплостойкостью, а также не быть дорогими.

Наиболее высокими качествами обладает баббит марки Б83 (83 % Sn,11 % Sb и

6 % Сu). Структура сплава состоит из темной пластичной основы α -фазы (твердого раствора сурьмы и меди в олове), светлых твердых частиц крупных кубических кристаллов SnSb и мелких игл или звезд кристаллов Cu6Sn5 (Cu3Sn).

Рис. 3.3. Микроструктура оловянистого баббита Б83:

α-твердый раствор темного фона, SnSb в виде крупных

кристаллов

Порядок выполнения работы

Первое задание студенты выполняют при подготовке к практической работе, при этом необходимо зарисовать соответствующую диаграмму состояния.

При выполнении второго задания построить кривую охлаждения для сплавов и указать все происходящие превращения. На основании этого можно представить схему ожидаемой структуры данного сплава в стабильном состоянии.