Министерство образования Российской Федерации
Сибирский государственный индустриальный университет
Кафедра металловедения и термической обработки металлов
ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
Рекомендации к выполнению практических занятий по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
Для студентов всех специальностей.
Новокузнецк
2002
УДК 669.017-174:539.3(07)
Д39
Рецензент:
Кандидат технических наук, доцент, кафедры физики металлов СибГИУ,
Д39 Деформация и рекристаллизация металлов: Метод. Указ. / Сост.: , : СибГИУ. – Новокузнецк, 2002. - с., ил.
Даны краткие теоретические сведения по изучаемой теме, методика проведения работы, список рекомендуемой литературы, а так же вопросы для проверки усвоенного материала
Предназначены для студентов всех специальностей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью данной лабораторной работы является изучение структуры и свойств металлов и сплавов после холодной и пластической деформации, а также после рекристаллизации деформированных образцов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Виды напряжений и деформаций
Деформация – это изменения размеров и формы тела под действием приложенных сил.
Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-механическими процессами, возникающими в самом теле (например, изменением объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).
В случае одноосного растяжения возникающие напряжения имеют вид
(
)
Так как сила Р, приложена к некоторой площадке А, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения (рисунок 1, а).
Нормальные напряжения подразделяются на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).
Концентраторами напряжений называют такие источники концентрации напряжений как механические надрезы, трещины, внутренние дефекты металла, сквозные отверстия, резкие переходы от толстого к тонкому сечению и т. д., которые приводят к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рисунок 1,б).
а) б)
Рисунок 1 – а) Образование нормальных 
и касательных 
напряжений приложенной силы 
к площади 
;
б) эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений:
- номинальное (среднее) напряжение;
- максимальное напряжение
Так как напряжения вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.
Внутренние напряжения, наиболее часто возникающие в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев, называются тепловыми. Кроме того, напряжения, возникающие в процессе кристаллизации, при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т. д., называются фазовыми или структурными.
Внутренние напряжения по предложению различают следующем образом.
Напряжения I рода, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей (макронапряжения).
Напряжение II рода, уравновешивающиеся в объеме зерна (кристаллита), или нескольких блоков (субзерен) [микронапряжения] возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.
Напряжения III рода, локализующиеся в объемах кристаллической ячейки, представляют собой статические искажения решетки, т. е. смещения атомов на доли ангстрема из углов кристаллической решетки.
Все эти виды напряжений взаимосвязаны между собой. Например: рост микронапряжений III рода может вызвать образования макронапряжений I рода.
Внутренние напряжения оказывают большое влияние на свойства металла и на превращения, протекающее в них.
Упругой деформацией называется деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла.
Напряжение, которое выдерживает образец, не давая заметной остаточной деформации после разгрузки, называют пределом упругости. Величина упругого смещения любого атома (рисунок 2) относительно его соседей очень мала и линейно зависит от нагрузки (закон Гука)
у = Е 
,
где Е - модуль упругости, или модуль Юнга, характеризующий жесткость материала, т. е. его сопротивления упругой деформации,
- относительная упругая деформация кристалла.
Рисунок 2 – Кривая растяжения пластического металла:
ОА – область упругой деформации;
АВ – область пластической деформации
Модуль упругости зависит от структуры металла (сплава) и его обработки и определяется типом кристаллической решетки (силами межатомной связи).
Пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической (остаточной), остается. Пластичная деформация – это результат необратимых коллективных смещений атомов. При этом одновременно с изменением формы меняется и ряд свойств. Пример: при холодном деформировании повышается прочность.
Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием.
Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величены (
).
Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу (
) наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металле могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.
Рисунок 3 – Кристалл до (а) и после деформаций скольжением (б) и двойникованием (в)
Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластичной деформации.
Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций в плоскости скольжения через весь кристалл, что приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом на поверхности кристалла образуется ступенька. Обычно в одном месте выходит на поверхность кристалла группа дислокаций (~10-100). Дислокации могут двигаться по плоскости скольжения в кристаллической решетке при очень малых сдвигающих напряжениях.
Пластическая деформация в монокристалле протекает в три стадии:
Первая стадия – стадия легкого скольжения. Характеризуется беспрепятственным перемещением дислокаций на большие расстояния, обеспечивая прогрессирующую деформацию без значительного роста действующих напряжений (I стадия деформационного упрочнения).
Вторая стадия – стадия множественного скольжения, которая характеризуется движением дислокаций в двух и более системах. Плотность дислокаций возрастает по сравнению с исходным состоянием на 4-6 порядков. Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление их движению сильно возрастает и для их продвижения внешнее напряжение должно резко увеличиваться (II стадия упрочнения). Под влиянием возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т. е. скольжением с переходом из одной разрешенной плоскости скольжения в другую.
Третья стадия. На этой стадии деформационное упрочнение уменьшается – происходит так называемый динамический возврат.
Двойникование – это пластическая деформация, которая сводится к переориентировке части кристалла в положение симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.
Рисунок 4 – Двойниковые прослойки и линии скольжения возле границы полосы Людерса на образце 416Е, x250
Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Наиболее часто двойникование наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации, особенно в металле с ГП и ОЦК решетками. В чистых ГЦК металлах деформация двойникованием происходит только при отрицательных температурах и высоких скоростях деформации.
Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.
Изменение структуры поликристаллического металла при пластической деформации. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла – путем сдвига (скольжение) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна, но т. к. зерна ориентированы не одинаково, то пластическая деформация протекает не одновременно и не одинаково во всем объеме поликристалла.
Первоначально под микроскопом на предварительно полированных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, которые одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен.
При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму (рисунок 5,а), после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рисунок 5,б). Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними. (Рентгеноструктурный анализ показывает, что после деформации отдельные зерна и блоки упруго напряжены (внутреннее напряжение II рода), а кристаллическая решетка по границам зерен, блоков и вблизи плоскостей скольжения искажена (внутреннее напряжение III рода)).
Рисунок 5 – Изменение формы зерна в результате скольжения (--- граница деформированного зерна, кажущаяся ровной благодаря ничтожно малым размерам пачек скольжения):
а – схема микроструктура металла до деформации;
б – схема и структура металла после деформации (x50)
Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры (текстура деформации).
Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентировку (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (проката, волочения и т. д.).
Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств.
Наклеп поликристаллического металла. С увеличения степени холодной (ниже 0,15-0,2 Тпл) деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (
, 
, HRB и др.), повышаются, а способность к пластической деформации – пластичность (
и 
) уменьшается (рисунок 6). Это явление роста упрочнения получило название наклепа.
Рисунок 6 – Влияние пластической деформации на механические свойства стали
Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), которые затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение. Стадия легкого скольжения при деформации поликристаллических металлов, в отличие от монокристаллов отсутствует. С самого начала пластической деформации происходит упрочнение металла, связанное со скоплением дислокаций у границ. Однако основное упрочнение при холодной пластической деформации поликристаллических металлов определяется характером множественного скольжения в каждом зерне.
Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК – решеткой. В результате холодной деформации уменьшается плотность, сопротивления коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (Fe) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.
Структурные изменения при нагреве деформированного металла
В результате пластической деформации в кристаллах возникают дефекты и упругие искажения. Это приводит к увеличению термодинамического потенциала, повышению энергетического стимула и структурным изменениям деформированного металла при нагреве. С повышением температуры атомы деформированных кристаллов переходят в более устойчивые положения, степень искаженности решетки уменьшается. Этот процесс восстановления упорядоченности упаковки протекает самопроизвольно и ведет к уменьшению деформированного (деформационного) упрочнения. Происходит это не мгновенно, а по мере устранения дефектов, ответственных за упрочнение. Температура, требующаяся для разупрочнения, зависит от природы металла и величины предшествовавшей деформации. К числу восстановительных процессов относят отдых, полигонизацию и рекристаллизацию.
Рисунок 7 – Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочненного деформацией
При нагреве до сравнительно низких температурах (обычно ниже 0,2-0,3 Тпл) начинается процесс возврата, под которым понимают повышение структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов строения, но при этом еще не наблюдается заметных изменений микроструктуры.
В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах (ниже 0,2 Тпл) протекает первая стадия возврата – отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования новых субграниц.
Вторая стадия возврата – полигонизация, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллитов на субзерна (полигоны) с малоугловыми границами. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна – полигоны, свободные от дислокаций (процесс полигонизации чаще протекает после небольших деформаций при нагреве до 0,25-0,3 Тпл).
Возврат немного изменяет механические свойства. Прочность при этом несколько понижается, предел упругости возрастает (предел упругости после наклепа может быть понижен остаточными напряжениями I ряда), а пластичность повышается.
Рисунок 8 – Схема изменения твердости (а) и пластичности (б) наклепанного металла при нагреве: I – возврат; II – первичная рекристаллизация; III – рост зерна
При повышении температуры подвижность атомов возрастает, и при достижении определенной температуры образуются новые равноосные зерна вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла. Этот процесс называется рекристаллизацией обработки или первичной рекристаллизацией (рисунок 7). До температуры начальной рекристаллизации сохраняется деформированное зерно. Рекристаллизация является диффузным процессом. Сначала возникают зародыши новых рекристаллизованных зерен. После рекристаллизации металл состоит из новых равноосных зерен.
Наименьшую температуру 
, при которой начинается процесс рекристаллизации и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других (рисунок 7 поз 4). Это происходит путем передвижения высокоугловых границ таким образом, что зерна с вогнутыми границами «поедают» зерна с выпуклыми границами. Процесс роста новых рекристаллизованных зерен называют собирательной рекристаллизацией. Этот процесс связан со стремлением системы к уменьшению свободной энергии.
Некоторые из новых зерен имеют предпочтительное условие для роста. Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые центры, поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен. Разнозеренность понижает пластичность.
Температура рекристаллизации не является постоянной физической величенной. Для данного сплава она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величены зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или величена зерна до деформации.
Температура начальной рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации, зависит от температуры плавления
где 
- коэффициент, зависящий от состава и структурного
состояния металла и сплава;
- температура плавления, выраженная в абсолютной шкале
температур.
Для технически чистых металлов коэффициент 
составляет примерно 0,4, для абсолютно чистых металлов этот коэффициент снижается до 0,1-0,2, а для сплавов и твердых растворов возрастает до 0,5-0,6. Чем выше температура рекристаллизации сплава, тем больше его прочность при высоких температурах.
Размер рекристаллизованного зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Наилучшей прочностью, и особенно пластичностью, обладают металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно. Однако в некоторых случаях (трансформаторное железо) необходимо, чтобы металл имел крупное зерно.
Для определения размера зерна после рекристаллизации пользуются объемными пространственными рекристаллизационными диаграммами. Величина зерна после рекристаллизации зависит от температуры и продолжительности рекристаллизации и от степени предшествующей деформации.
В результате отжига при определенной температуре после некоторой деформации получается наибольшая величина зерна. Такая степень деформации, при которой начальная величина зерна резко изменяется и достигает наибольших значений, называется критической (
).
Рисунок 9 – Влияние температуры, продолжительности и степени деформации на величину рекристаллизованного зерна (
; 
и 
- продолжительность инкубационного периода; 
и 
- критическая степень деформации)
Для всех металлов и сплавов 
< 10% и почти не зависит от температуры отжига. Можно считать установленным, что увеличение размера зерна при 
происходит не путем зарождения и роста зародышей, а путем роста зерен, имевшихся в структуре до деформации. При этом растут зерна, решетка которых при деформации 
была искажена слабее всего.
Текстура рекристаллизации. После высоких степеней предшествующей деформации возникает текстура, которая нередко является причиной образования при последующем нагреве текстуры рекристаллизации. В этом случае новые рекристаллизованые зерна имеют преимущественную кристаллографическую ориентировку. Характер текстуры рекристаллизации определяется условиями проведения отжига, видом предшествующей обработки давлением (проката, волочения и т. д.), а также количеством и природой примесей.
При низких температурах отжига металла с ГЦК - решеткой (К12) текстура рекристаллизации такая же, как текстура деформации. При высоких температурах отжига текстура рекристаллизации часто отличается от текстуры деформации или отсутствует. Текстуру рекристаллизации можно наблюдать в меди, алюминии, железе и других металлах. При образовании текстуры рекристаллизации отожженный поликристаллический металл характеризуется анизотропией свойств.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить теорию по деформации и рекристаллизации металлов и сплавов, кратко ее записать. Просмотреть под микроскопом структуру каждого образца из предложенной преподавателем коллекции шлифов низкоуглеродистой стали: в отожженном состоянии, после холодной пластической деформации (осадки цилиндрических образцов на 30%, 40% и 50% высоты), после рекристаллизации деформированных образцов (в некоторых случаях при двух увеличениях: большом и малом); зарисовать микроструктуры этих образцов в порядке повышения степени деформации; кратко описать изучение структуры, указав увеличение, при котором рассматривался шлиф, структурные признаки и связь их с обработкой. На готовых коллекциях определить размеры зерен алюминиевого сплава после различной степени деформации и рекристаллизационного отжига и по полученным данным построить кривую зависимости величины зерна после рекристаллизации от степени предшествующей деформации. Для этого необходимо на каждой пластине из алюминиевого сплава, находящейся в коллекции, определить с помощью линейки средний размер (в мм) поперечника зерна как среднее арифметическое, полученное от измерения не менее трех зерен (рисунок 10). Например, средний диаметр зерна после предшествующей деформации, равной 2%, определится по формуле
Рисунок 10 – Определение среднего размера зерна
Полученные данные свести в таблицу по нижеприведенной форме и построить необходимый график.
Таблица 1 - Результаты измерений
Степень предшествующей деформации, % | 1 | 1,5 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Средний диаметр зерна, мм |
ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Титульный лист (название и порядковый номер работы). Цель работы. Порядок выполнения. Расчетные данные. Иллюстрации (графики, таблицы, структуры). Выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Что представляет собой деформация и как она выражается? Что такое концентраторы напряжений? Какие существуют виды внутренних напряжений? В результате чего они возникают? Какие существуют виды внутренних напряжений по классификации ? Как они возникают? Какую деформацию называют упругой? Какую деформацию называют пластической? Какими путями может осуществляться пластическая деформация? В чем ее сущность? Назовите стадии пластической деформации? Чем они характеризуются? Что такое двойникование? В чем оно заключается? В каких случаях идет деформация двойникования? Как изменяется структура поликристаллического металла при пластической деформации? Что такое текстура деформации? Как изменяются свойства металла с увеличением степени деформации? Что такое наклеп металла и чем он объясняется? Что понимают под процессом возврата, протекающим при нагреве деформированного металла? Что понимают под первичной рекристаллизацией? Что называют температурным порогом рекристаллизации? Что понимают под собирательной рекристаллизацией? Что такое вторичная рекристаллизация? Как определяют температуру начала рекристаллизации металла? От каких факторов зависит величина зерна после рекристаллизации? Что понимают под критической степенью деформации? Как зависит величина рекристаллизованного зерна от степени предшествующей деформации? Что такое текстура рекристаллизации? Чем определяется текстура рекристаллизации?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Лахтин и термическая обработка металлов: Учеб. для вузов / . – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1993. – 447 с. Материаловедение и технология металлов: Учебник для вузов / , , и др.; Под ред. .- М.: Высш. шк., 2001.-638 с. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб. пособие для вузов / , , и др.; Под ред. . – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: МИСиС, 1996. – 576 с. Материаловедение: Практикум: Учеб. пособие для вузов / , , и др.; Под ред. . – М.: МГГУ, 1996. – 282 с. – (Высш. горное образование).
План 2002
Составитель
ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
Рекомендации к выполнению практических занятий по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
Для студентов всех специальностей.
Сибирский государственный индустриальный университет
654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова.
Издательский центр СибГИУ
