Контроль механических свойств изделий, упрочняемых

Холодной пластической деформацией

Влияние деформации на структуру и свойства металлов.Для металлов характерна металлическая связь, когда в узлах кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации. Поэтому, если внутри материала есть дефект или форма детали такова, что имеются концентраторы напряжений, то в этих местах напряжения достигают большой величины и может возникнуть трещина. Но так как пластичность металла высока, то в этом месте, в том числе в устье трещины, металл пластически продеформируется, упрочнится и процесс разрушения приостановится. Этими обстоятельствами и обусловлено то, что металлы являются надежными конструкционными материалами.

У неметаллов не будет пластической деформации и самоупрочнения – произойдет разрушение, как только в устье дефекта напряжения превзойдут некоторую величину.

Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. Сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме рис. 2.40, упругая деформация характеризуется линией и её продолжением (пунктир). Выше точки нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается (сдвигается) по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место, т.е. деформация сохранится.

Пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение формы зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (или внутри зерен) могут возникать трещины.

Представленная на рис. 2.40 зависимость между приложенным напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов: 1) наклон прямой показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния; 2) тангенс угла наклона прямой пропорционален модулю упругости , который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию ); 3) напряжение соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка ; 4) в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины образца); 5) максимальное напряжение соответствует максимальному напряжению, достигнутому при нагружении.

Рис. 2.40. Деформация в зависимости от напряжения

Величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) - так называемое относительное удлинение (или относительное сужение ), характеризует пластичность металла; площадь под кривой пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

Кривая деформации (рис. 2.40) в зависимости от многих факторов (природа испытуемого материала, напряженное состояние, скорость и температура испытания и др.) имеет разный вид и, анализируя её, можно получить много ценной информации. Некоторые типичные виды кривых деформации (для растяжения) представлены на рис. 2.41.

Рис. 2.41. Некоторые виды кривых напряжение – деформация

Для некоторых мягких металлов характерно наличие площадки (или зуба) текучести (рис. 2.41а). Различают физический (когда есть площадка) и условный (когда её нет) предел текучести. Максимальное напряжение на кривой (рис. 2.40 и 2.41б) называется временным сопротивлением или чаще пределом прочности.

Всю кривую (рис. 2.41в) от до можно разделить на два участка, разделенные точкой , которая характеризует момент появления трещины, способной развиваться, что поведет к разрушению (разделению на две части) образца.

Так как площадь под кривой пропорциональна работе разрушения, то площадь равна работе, которая была необходима для зарождения трещины (работа зарождения трещины – ), а площадь - работе необходимой, чтобы распространить трещину на всё сечение (коротко – работа распространения трещины - ). Таким образом, вся затраченная работа .

В поведении металла после точки возможны два принципиально различных случая. Если после зарождения трещины её распространение требует некоторой работы, такое разрушение называется вязким (вязкое разрушение), характеризуемое определенным видом излома и тем, что (рис. 2.41г), если же в точке наблюдается срыв кривой, то , что характеризует хрупкое разрушение (рис. 2.41д). Возможен и промежуточный случай – вначале вязкое, а потом хрупкое разрушение.

Упругая деформация – есть изменение расстояния между атомами под действием внешних сил. Поэтому напряжение – это изменение в межатомных расстояниях, которое может измеряться рентгеновскими методами. Очевидно, если исключить причины, вызывающие смещение атомов, т.е. нагрузку, то они возвратятся на прежние места. Другими словами, упругая деформация не вызывает никаких последствий в материале. Чем меньшую деформацию вызывает напряжение, тем жестче материал. Следовательно, модуль упругости характеризует жесткость материала. Различают два вида модуля упругости: модуль нормальной упругости (модуль Гука) и модуль касательной упругости (Юнга). В первом случае силы стремятся оторвать атомы друг от друга, во втором – сдвинуть. Модуль Гука в раза больше модуля Юнга ( ). В частности, для железа кгс/мм², а кгс/мм².

Значения модулей упругости определяются силами межатомного взаимодействия и являются константами материала. Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т.е. термическая обработка или другие способы изменения структуры металла практически не изменяют модуля упругости. Все остальные механические характеристики, кроме модуля упругости, являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от обработки (структуры) в весьма широких пределах.

Пластическое деформирование представляет собой процесс сдвига части кристалла по отношению к другой, который объясняется дислокационной теорией. На рис. 2.42 представлена схема процесса сдвига с участием дислокации. Дислокация (обозначаемая значком _┴) под действием силы перемещается направо только вследствие того, что изменяется «соседство» атомов по обе стороны от плоскости . В конце концов, дислокация выйдет на поверхность кристалла (границу зерна или блока мозаики) и исчезнет, как это показано на рис. 2.42в. Описанный процесс происходит при значительно меньшем напряжении, чем одновременный сдвиг всех атомов и фактически только так и осуществляется пластическая деформация.

Рис. 20.3.

а б в

Рис. 2.42. Дислокационная схема пластического сдвига

Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод, что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. В металле, в котором нет дислокаций, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла. В случае если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Однако реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинать возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная прочность металла повысится.

Движущиеся дислокации порождают сотни и сотни новых, в результате плотность дислокаций повышается, что и приводит к упрочнению (повышению предела прочности).

Вернемся к рассмотрению зависимости между напряжением и деформацией (рис. 2.40). Если нагрузка не превысила точки (условный предел текучести), то после её устранения изменений в металле не произойдет, но если нагрузка превысила предел текучести и напряжения, например, были равны , то после снятия нагрузки останется деформация, равная . Если затем опять нагружать металл, то его способность к пластической деформации уменьшится, предел текучести повысится до значения ; т.е. чтобы вызвать пластическую деформацию, следует приложить большие напряжения. Это значит, что металл стал прочнее. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой.

Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен, текстурой. Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации. При этом зерно не измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения. Такой характер пластического течения приводит к изменению внутризеренной структуры – дробятся блоки мозаики с одновременным увеличением степени их разориентировки. Возрастает величина внутренних напряжений, ограниченных (локализованных) малыми объемами. Все эти изменения приводят к тому, что с увеличением деформации уменьшается плотность металла. Уменьшение плотности при большой степени пластической деформации обусловлено образованием пор внутри и между зернами (так называемая деструкция).

Можно выделить следующие основные закономерности изменения структуры и механических свойств сталей при деформации.

При малых степенях пластической деформации в поликристаллических материалах происходит скольжение по нескольким системам, в особенности у границ зерен, что связано с воздействием на данный кристаллит соседних, произвольно ориентированных зерен. Происходит образование дефектов кристаллического строения (вакансий и, главным образом, дислокаций), устойчивых при данной температуре. С увеличением степени деформации до ~ (5-10) % дислокации связываются в сложные сетки. Начинает формироваться ячеистая структура. Границы ячеек образованы объемными скоплениями дислокаций. При больших степенях деформации ( 70%) плотность дислокаций резко возрастает, но скопление их в стенках сохраняется.

По мере развития деформации происходит поворот и изгиб отдельных зерен, приводящие к их вытягиванию в направлении деформирования. При этом размер зерна не меняется (площадь поперечного сечения сохраняется). Происходит изменение внутризеренной структуры - дробятся блоки мозаики, увеличивается степень их разориентировки, возрастает величина внутренних напряжений.

Интенсивность изменений формы и размеров различна в разных зернах, что определяется их углом ориентировки относительно внешних сил. Поэтому неизбежно возникновение градиента напряжений и деформаций между различными зернами поликристаллического образца, приводящего к появлению макронапряжений (или напряжений I рода). Холодная пластическая деформация приводит также к появлению текстуры, вид и степень совершенства которой зависят от типа решетки металла, от его структуры, химического состава и характера деформации. Рентгеновским способом слабая текстура улавливается при деформации на (5-10) %; максимальная четкость при ~ (70-90) %.

Упрочнение сталей, как и других металлов, обусловлено торможением дислокаций на различных искажениях в решетке металла (на атомах растворенных примесей, на частицах второй фазы, на других дислокациях и их группировках и т.д.). При увеличении степени пластической деформации общим для всех феррито-перлитных сталей является увеличение твердости, предела текучести и временного сопротивления разрыву, при одновременном снижении относительного удлинения и относительного сужения. Деформирование металла на (50-70) % вызывает увеличение твердости и временного сопротивления разрыву в 1,5 2,0 раза в зависимости от исходной структуры, химического состава и вида обработки давлением. Упрочнение феррито-перлитных сталей под действием холодной пластической деформации описывается выражением:

, (2.98)

где , , , - константы материала ( ), - эффективная длина свободного пробега дислокаций, - относительное искажение решетки

( - параметр решетки), обусловленное внутренними микронапряжениями. Для поликристаллического железа и малоуглеродистой стали параметр может совпадать с величиной ферритных зерен. В случае перлитной стали параметр коррелирует со средним расстоянием между пластинками перлита. Таким образом, в выражении учитывается напряженное состояние ферритной матрицы и дисперсность феррито-карбидной смеси.

Происходящее при деформации изменение макро- и микроструктуры сталей влияет на их магнитные свойства. Увеличение степени пластической деформации приводит к росту коэрцитивной силы практически всех феррито-перлитных сталей, причем наибольший относительный прирост величины при увеличении наблюдается для малоуглеродистых сталей. Увеличение до (30-50) % приводит к резкому уменьшению максимальной магнитной проницаемости , а при более высоких деформациях проницаемость практически не меняется. Поле максимальной магнитной проницаемости ведет себя аналогично коэрцитивной силе.

Остаточная индукция уменьшается при увеличении деформации до (20-30) % , а при дальнейшем повышении степени деформации величина монотонно возрастает. Наиболее типичные зависимости величин , и от степени деформации , определенные на стали с содержанием углерода 0,07 %, приведены на рис. 2.43.

Увеличение степени деформации от нуля до (80-85) % практически не влияет на намагниченность насыщения . В качестве параметра неразрушающего контроля степени пластической деформации и механических свойств конструкционных сталей с феррито-перлитной структурой широкое применение нашла коэрцитивная сила . Для сталей с

Рис. 2.43. Зависимость магнитных свойств стали с содержанием углерода

0,07 % от степени холодной пластической деформации

содержанием углерода менее 0,3 % контроль по величине дает вполне удовлетворительные результаты. Однако для сталей с повышенным (более 0,3 %) содержанием углерода при увеличении степени деформации более (10-15) % рост коэрцитивной силы резко замедляется, что затрудняет использование её для контроля прочностных свойств. Другие магнитные характеристики пока не нашли широкого применения для контроля либо из-за неоднозначной связи со степенью деформации (или с механическими свойствами), либо из-за сложности их экспериментального определения.

Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла. Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки и другие внутризеренные процессы и рост зерен. Первое не требует высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов.

Происходящие при отжиге процессы перераспределения и уменьшения концентрации структурных несовершенств в порядке повышения температуры делятся на следующие стадии: возврат, полигонизация, рекристаллизация (первичная; собирательная или вторичная).

Уже небольшой нагрев (для железа 300 – 400 ^оС) снимает искажения решетки (как результат многочисленных субмикропроцессов – уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения, так называемая аннигиляция, слияние блоков, уменьшение внутренних напряжений, уменьшение количества вакансий и т.д.). Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. В результате твердость и прочность несколько понижаются (на 20 – 30 % по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.

Наряду с отдыхом (возвратом) может происходить еще так называемый процесс полигонизации, заключающийся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя сетку и создавая ячеистую структуру, которая может быть устойчивой и может затруднить процессы, развивающиеся при более высокой температуре. Рекристаллизация, т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Сопоставление температур рекристаллизации различных металлов показывает, что между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления существует простая зависимость

( - абсолютная температура рекристаллизации; – коэффициент, зависящий от чистоты металла). Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает 0,8 .

После того как рекристаллизация (I стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними, т.е. которые он имел до деформации. Схема процессов, происходящих при нагреве наклепанного металла, представлена на рис. 2.44. Обработка давлением (пластическая деформация) ниже температуры рекристаллизации вызывает наклеп и называется холодной обработкой.

Рис. 2.44. Схема изменения строения деформированного металла при нагреве

В соответствии с описанными выше процессами изменения строения наклепанного металла при его нагреве следует ожидать и соответствующего изменения свойств. По мере повышения температуры твердость сначала слегка снижается вследствие явлений возврата. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твердость резко падает и достигает исходного значения (значения твердости до наклепа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации (рис. 2.45). Аналогично изменению твердости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести). На рис. 2.45 показаны также изменения пластичности ( ).

Рис. 2.45. Изменение механических свойств холоднодеформированного железа в зависимости от температуры отжига

При возврате происходит перераспределение и уменьшение концентрации точечных дефектов путем аннигиляции и стока к дислокациям и границам зерен, а также перераспределение дислокаций. На начальных стадиях возврата частично восстанавливается плотность металла. Механические свойства остаются практически неизменными. Возврат, связанный с перераспределением и аннигиляцией дислокаций, приводит к изменению механических свойств. Если деформация была ограничена стадией легкого скольжения, то при возврате механические свойства восстанавливаются практически полностью. Возврат, связанный с перераспределением дислокаций и образованием более устойчивых дислокационных конфигураций, может привести к повышению твердости и сопротивления малым пластическим деформациям. В сталях этот эффект существенно усиливается закреплением дислокаций примесями (деформационное старение).

Полигонизация приводит к уменьшению плотности дислокаций и образованию субзерен, окруженных магоугловыми границами, и укрупнению субзерен путем миграции субграниц или коалесценции группы соседних субзерен.

Отжиг сталей при температурах меньше температуры рекристаллизации несколько снижает временное сопротивление разрыву , предел текучести , твердость и повышает пластичность. Однако, в ряде случаев, нагрев после холодной пластической деформации увеличивает твердость и прочность благодаря деформационному старению.

При рекристаллизации образуются новые, в основном свободные от напряжений и имеющие гораздо меньшую твердость зерна, которые растут за счет деформированной матрицы и отделены от нее границами с большими углами разориентировки. После окончания первичной рекристаллизации (после исчезновения деформированной матрицы) дальнейший нагрев вызывает рост зерен, попавших в "привилегированные" условия, за счет исчезновения других зерен (вторичная рекристаллизация). Возможно равномерное подрастание образовавшихся в результате первичной рекристаллизации зерен (собирательная рекристаллизация).

Изменение структуры деформированных сталей при рекристаллизации сопровождается восстановлением механических свойств до значений, которыми стали обладали перед пластической деформацией. Чаще в результате рекристаллизации можно получить структуру и свойства, существенно отличающиеся от исходных. Это связано с разной степенью влияния различного типа дефектов на то или иное свойство и с различной подвижностью этих дефектов. Рекристаллизация сопровождается не только изменением степени структурного совершенства зерен, их размеров и формы, но и изменением их кристаллографической ориентировки, т.е. текстуры, и, следовательно, изменением анизотропии свойств. Текстура рекристаллизации может быть идентична текстуре деформации или закономерно от нее отличаться.

Рис. 2.46 Зависимость прочностных и магнитных свойств холодно-

деформированной феррито-перлитной стали с содержанием углерода 0,08 %

От температуры отжига

Низкотемпературный отжиг (при меньше температуры рекристаллизации), приводящей к снятию внутренних напряжений, вызывает уменьшение коэрцитивной силы и увеличению начальной и максимальной проницаемостей. При повышении до температуры рекристаллизации и выше происходящие структурные превращения сопровождаются резким изменением магнитных свойств. Как правило, магнитные свойства меняются в том же направлении, что и при более низких температурах отжига. По завершении рекристаллизации интенсивность изменения магнитных свойств падает. На рис. 2.46. представлены характерные зависимости прочностных и магнитных свойств холоднодеформированной феррито-перлитной стали от температуры последующего отжига. Быстрое охлаждение после высокотемпературного отжига сталей с повышенным содержанием углерода может изменить характер зависимости магнитных свойств от температуры отжига и привести к росту коэрцитивной силы и уменьшению проницаемостей и . Остаточная магнитная индукция вещества растет при увеличении температуры отжига.

Для неразрушающего контроля качества отжига деформированных феррито-перлитных сталей чаще всего используют коэрцитивную силу . Однако не во всех случаях это возможно. К примеру в машиностроении используется технология изготовления и упрочнения изделий из малоуглеродистых сталей путем многоступенчатой вытяжки (высадки) с промежуточными низкотемпературными отжигами для снятия внутренних напряжений. Поскольку низкотемпературный отжиг приводит к существенному уменьшению коэрцитивной силы малоуглеродистых сталей, в то время как прочностные свойства не меняются или даже повышаются благодаря деформационному старению, то использование только величины для контроля прочностных свойств готовых изделий затруднено вследствие ошибок, вносимых неконтролируемыми колебаниями температуры отжига.

В связи с появлением в последние годы устройств для локального измерения магнитных свойств вещества стало перспективным применение и других магнитных характеристик ( , и др.), а также их сочетаний (многопараметровый контроль).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: