Механизм пластической деформации металлов и сплавов
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
по дисциплине Металловедение
"Пластическая деформация и рекристаллизация металлов и сплавов"
Пластическая деформация и рекристаллизация металлов и сплавов
1. Механизм пластической деформации
В основе пластического деформирования металлов лежит перемещение дислокаций практически при любых температурах и скоростях деформирования. Сущностью пластического деформирования является сдвиг в результате которого одна часть кристалла смещается по отношению к другой части. Для сдвига в идеальном кристалле, в котором все атомы на плоскости сдвига сразу перемещаются на одно межатомное расстояние, нужно, как показывают расчеты, касательное напряжение 0,1 G (G - модуль упругости сдвига). В реальных кристаллах сдвиг происходит при напряжениях всего 10 - 4 G, что в 1000 раз меньше теоретически необходимых. Это объясняется тем, что происходит за счет скольжения дислокаций и в нем участвует незначительная доля атомов, расположенных на плоскости сдвига (рис.1).
Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. В обоих случаях пластическая деформация связана с определенными плоскостями и направлениями в решетке.
Фактически пластическая деформация осуществляется за счет перемещения дислокаций. Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод; что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение первичных дислокаций вызывает появление большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации (рис.2).
Рисунок 2. Механизм образования дислокации в процессе пластической деформации
Рисунок 3. Прочность кристаллов в зависимости от искажений решетки (числа дефектов):
1 - теоретическая прочность;
2 - чистые неупрочненные металлы;
3 - сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической и термомеханической обработкой.
Способность реального металла пластически деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это свойство используют при различных технологических процессах - при протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т.д. Большое значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из металла. Опыт показывает, что если металл находится в хрупком состоянии, т.е. если его способность к пластическому деформированию низка, то он в изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие.
2. Наклеп
В процессе деформации пара движущихся дислокаций порождает сотни и сотни новых, в результате этого плотность дислокаций повышается, что и приводит к упрочнению (повышению предела прочности) - рис.4.
Рисунок 4. Изменение прочности в зависимости от плотности дислокаций (высокопрочная сталь)
Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой.
Пластическая деформация вносит существенные изменения в строение металла. 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 (рис.5).
С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, т.е. все зерна оказываются одинаково ориентированными.
Не следует думать, что в результате деформации зерно измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.
Рисунок 8. Дислокационное строение малоугловой границы
Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности.
Рекристаллизация. Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превосходит определенную минимальную величину, которая называется критической степенью деформации ( - относительное обжатие, где H0 - начальная высота заготовки, h - высота заготовки после обжатия). Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2 - 8%); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди - к 5%.
Существует также температурный порог рекристаллизации - это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температурный порог рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла:
Значение коэффициента а зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты а = 0,3 - 0,4 и понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей может понизить а до 0,1 - 0,2. Для твердых растворов а = 0,5 - 0,6, а при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 - 0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100° С, 270° С и 450° С.
Рекристаллизация состоит из зарождения новых зерен и их последующего постепенного роста. Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации.
С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке.
Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном поглощении новыми зернами старых деформированных зерен.
По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Собирательная рекристаллизация не связана с предварительной пластической деформацией металла. Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная протяженность границ).
Рост зерен происходит путем перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела, одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем исчезают, а другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна (рис.9).
Лекция 7. Тема № 4. «Основы пластической деформации
Деформация скольжением, двойникованием. Другие виды деформации: складкообразование, сброс, вторичное скольжение. Пластическая деформация монокристаллов с ГЦК, ГПУ и ОЦК решетками. Три стадии упрочнения: стадия легкого скольжения, линейного упрочнения и параболического упрочнения. Деформационное упрочнение поликристаллов. Влияние скорости деформации, легирования на процесс деформации. Особенности деформации углеродных и легированных сталей.
При увеличении степени пластической деформации металла или сплава с любым типом кристаллической решетки плотность дислокаций непрерывно увеличивается, – увеличивается и прочность металлов и сплавов. Если в исходном недеформированном металле или сплаве плотность дислокаций составляет 10 -10 см -2 , то после больших степеней деформации она достигает 10 -10 см -2 .
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ С ГЦК, ГПУ И ОЦК РЕШЕТКАМИ
Рассмотрим упрочнение ГЦК монокристаллов на примере типичной кривой напряжение – деформация. На этой кривой четко выражены три стадии деформации.
Начальный участок кривой, характеризующийся более высоким ростом напряжений, связан с упругой деформаций (рисунок 35).
| Рисунок 35 – Кривая напряжение – деформация для монокристалла с ОЦК решеткой |
Стадия I – легкого скольжения – характеризуется малым упрочнением. Деформация развивается при небольшом возрастании приложенного напряжения, так как длина свободного пробега дислокаций велика. На поверхности появляются тонкие параллельные линии, находящиеся на расстоянии (2-3)·10 -4 см друг от друга. Величина сдвига в каждом слое скольжения находится в интервале (0,3-0,5)·10 -4 см. Следы скольжения называются линиями Чернова - Людерса. Легкое скольжение осуществляется сначала движением имеющихся дислокаций, а затем дислокаций, генерируемых источниками Франка-Рида в одной благоприятно ориентированной системе скольжения. Движущиеся дислокации выходят на поверхность кристалла. 0днако часть дислокаций может задержаться в кристалле, если они встретят на своем пути препятствие. Такими препятствиями могут быть дислокационные диполи, состоящие из положительных и отрицательных краевых участков, и которые тормозят движущуюся дислокацию.
Существование первой стадии упрочнения установлено на кристаллах алюминия, меди, серебра и никеля. Однако при аналогичных условиях испытания протяженность первой стадии для этих металлов неодинакова. Так, например, первая стадия для кристаллов алюминия продолжается до 4-5%, тогда как для меди деформация может превышать 20%. Этоможно объяснить большей прочностью межатомной связи у меди, чем у алюминия. Это и определяет коэффициент упрочнения Q1- на стадии легкого скольжения. Средняя плотность дислокаций на этой стадии составляет 10 8 cм -2 .
Легкое скольжение заканчивается, когда плотность дислокаций на первичной системе скольжения становится критической.
Стадия II – линейного упрочнения, характеризуется коэффициентом упрочнения Q2примерно в 10 раз большим, чем Q1. На этой стадии активизируются источники дислокаций во второй системе скольжения и происходит скольжение в пересекающихся плоскостях и множественное скольжение (рис.36, 37)
Рисунок 36 – Скольжение в пересекающихся плоскостях в никеле
Рисунок 37 – Множественное скольжение в алюминии
Множественное скольжение в пересекающихся плоскостях приводит к взаимодействию дислокаций, их пересечению, появлению сидячих дислокаций Ломер-Котрелла (рис.38 а, б)
Рисунок 38 – Образование барьеров Ломер – Коттрелла. а) – схема микро структуры; б) – фотография микроструктуры
На дислокациях появляются пороги, тормозящие их движение. Дислокации скапливаются, образуют клубки, в которых они распределены хаотически. Такие дислокации называют дислокациями «леса».
Дислокационные клубки преобразуются в устойчивые регулярные сетки. Эти сетки представляют собой стенки ячеек, в которых плотность дислокаций высока (около 10 см -2 ). Они разбивают кристалл на участки, сравнительно свободные от дислокаций. Такая дислокационная структура называется ячеистой.
Впроцессе развития второй стадии упрочнения плотность дислокаций постепенно увеличивается, чем их больше, тем выше степень разориентировки ячеек. Угол разориентировки составляет 2–3º, а при больших степенях деформации может доходить до 5–10º. Таким образом, причина упрочнения металла на этой стадии заключается в резком увеличении плотности дислокаций и появлении ячеистой структуры, стенки которой являются препятствием на пути движения дислокаций.
Стадия третья – параболического упрочнения. Характер ячеистой структуры на третьей стадии не изменяется. Происходит увеличение ширины ячеек за счет повышения в них количества дислокаций. Кривая на рисунке 35 становится положе, значит интенсивность упрочнения уменьшается.
На третьей стадии скольжения возникают новые полосы скольжения ступенчатого характера, свидетельствующие о развитии поперечного скольжения винтовых дислокаций. Снижение интенсивности упрочнения, обусловленное перераспределением дислокаций под влиянием высоких напряжений называется «смягчением при наклепе». Случай упрочнения металла с ГЦК решеткой, описываемый кривой на рисунке 35, наблюдается при благоприятной для возникновения легкого скольжения ориентировке. Если кристалл с ГЦК решеткой ориентирован произвольно, в нем сразу начинается множественное скольжение и наступает быстрое упрочнение.
Рассмотренные ранее особенности пластической деформации кристаллов с ГЦК решеткой в равной степени справедливы и для гексагональных кристаллов. Однако для гексагональных кристаллов характерна более выраженная анизотропия. При обычных условиях испытаний наблюдается базисное скольжение (плоскость кристаллографическое, направление ). При наличии точечных дефектов может начаться призматическое или пирамидальное скольжение. Если имеется только базисное скольжение, то пластическая деформация протекает, как 1-я стадия для ГЦК кристаллов. Если же вступают вторичные системы скольжения – это соответствует 2-й стадии упрочнения (рис. 39)
Пластическая деформация металлов
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация делится на упругую и пластическую.
Упругая деформация. Упругой деформацией называют деформацию, 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.
Пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел или порог упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.
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 величины (τк).
Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 18. Эта схема дает наглядное представление о смещении атомов в соседних плоскостях при сдвиге на одно межатомное расстояние.
Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям, и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов где величина сопротивлению сдвигу (τк) наименьшая, а сама величина τ значительна. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая.
Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.
Процесс скольжения не следует, однако, представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.
Рис. 18. Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига:
а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г – напряжения, обусловившие появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д – образование двойника.
Рис. 19. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:
а – схема движения дислокации; б – краевая дислокация в кристаллической структуре; в – дислокация переместилась на дно; г – на два межатомных расстояния в решетке под влиянием приложенного напряжения; д – выход дислокации на поверхность и появление сдвига.
Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций, что показано на рис. 19. Чтобы дислокация из исходного положения 1 переместилась в соседнее положение 14, не нужно сдвигать всю верхнюю половину кристалла на одно межатомное расстояние.
Достаточно, чтобы произошли следующие перемещения атомов: атом 1 в положение атома 2, атом 3 — в 4, атом 5 — в 6, атом 7 — в 8, атом 9 — в 10, атом 11 — в 12, атом 13 — в 14, атом 15 — в 16 и атом 17 — в 18. Также смещаются атомы не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости.
Незначительные перемещения атомов в области дислокации приводят к перемещению дислокаций на одно межатомное расстояние.
Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.
Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.
При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил τ, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.
Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующих сил получила название текстуры (текстура деформации).
Наклеп. С увеличением степени деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σв, σт, НВ и др.), повышаются, а способность к пластической деформации — пластичность (δ и φ) уменьшается. Это явление роста упрочнения получило название наклепа. Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов).
Все дефекты кристаллического строения 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. В результате деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов, например железа, повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.
Свойства пластически деформированных металлов.
В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства — электросопротивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плотность дислокаций возрастает до 10 9- 10 12 см -2 ) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации (рис. 20).
При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость;σв; σ0,2; σупр) и понижаются пластичность и вязкость (δ; φ; ан). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, после 40%-ной деформации механические свойства меняются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности (временного сопротивления).
Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным, при попытке продолжить деформирование металл разрушается.
Путем наклепа твердость и временное сопротивление (предел прочности) удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести — в 3-7 раз при максимально возможных деформациях. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК-решеткой. Среди сплавов с ГЦК-решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь; алюминиевая бронза с 7% А1; никель; а алюминий упрочняется незначительно).
Упрочнение при наклепе широко используют для повышения механических свойств деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает сопротивление усталости. Понижение пластичности при наклепе используют для улучшения обрабатываемости резанием вязких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).
Влияние нагрева на структуру и свойства холоднодеформированных металлов.
Неравновесная структура, созданная холодной деформацией у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах, рекристаллизация — при более высоких.
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма кристаллов при возврате не изменяются.
Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых кристаллов с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего, равноосные кристаллы.
Возврат. Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две возможные стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.
Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений.
Отдых вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла. Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).
Полигонизация — это процесс разделения деформированных зерен металла на полигоны — области с малой плотностью дислокаций. Эти области называются блоками. Процесс полигонизации протекает в интервале температур отдых — рекристаллизация и заканчивается созданием блочной структуры.
Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упругих искажений кристаллической решетки и более полному восстановлению физических свойств металла. Механические свойства его при этом изменяются незначительно. Текстура сохраняется, хотя и становится блочной.
Вслед за возвратом протекает рекристаллизация, заключающаяся в зарождении и росте новых неискаженных равноосных зерен (рис. 21).
При первичной рекристаллизациив деформированной среде зарождаются и растут равноосные зерна до тех пор, пока полностью не исчезнет текстура, созданная деформацией. Зародышами зерен являются отдельные энергетически выгодные блоки (центры рекристаллизации). После исчезновения текстуры металл приобретает равновесную мелкозернистую структуру.
Суммарная протяженность границ мелких зерен велика. Граничные зоны зерен представляют собой тонкие (в несколько атомных слоев) сильно искаженные области, так как здесь сопрягаются кристаллические решетки различно ориентированных стыкующихся зерен, сюда стекаются точечные дефекты и дислокации. Поэтому граничные зоны зерен и характеризуются высокими значениями энергии (поверхностной энергии), которая уменьшается за счет округления зерен и дальнейшего их роста путем фронтального перемещения граничных зон растущих зерен и поглощения мелких.
Атомы из мелких зерен диффундируют через границу в растущие зерна, отчего первые постепенно исчезают, а вторые разрастаются. В результате число зерен структуры металла уменьшается, а их размеры увеличиваются. Рост одних равноосных зерен за счет исчезновения других представляет собой собирательную рекристаллизацию.
Температура начала рекристаллизации зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала и содержания примесей в нем. Определено, что
где Трекр— абсолютная минимальная температура рекристаллизации; α — коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы; Тпл — абсолютная температура плавления данного вещества.
Минимальная температура рекристаллизации железа и других металлов технической чистоты определяется по формуле А. А. Бочвара:
Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного (текстурованного) материала до температуры выше Трекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (в печи), называется рекристаллизационным отжигом.
Рис. 21. Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочненного деформацией.
Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной (обычно на 200. 300°С), так как чем выше температура нагрева, тем быстрее протекает рекристаллизация, характеризующаяся, в частности, уменьшением твердости металла. Для железа и низкоуглеродистой стали температура рекристаллизационного отжига принимается равной 650. 700°С.
Для того чтобы в металле при нагреве протекала рекристаллизация, необходима его хотя бы минимальная предварительная холодная обработка (критическая степень деформации εкр для железа равна 5. 6 %, для малоуглеродистой стали — 7. 15, для меди — около 5, для алюминия — 2. 3 %).
При рекристаллизации после деформирования материала с εкр зерно растет в нем особенно сильно и может увеличиться по сравнению с исходным во много раз. Выбирая степень деформации и температуру рекристаллизационного отжига, можно получить в металле зерно нужного размера. Рекристаллизационный отжиг широко используют для управления формой и размерами зерен, текстурой и свойствами металлов и сплавов.
Создание текстуры и наклеп возможны только в случае холодного деформирования металла. Обработка давлением называется холодной, если она совершается при температурах ниже температуры рекристаллизации, горячей — при температурах выше температуры рекристаллизации.
При горячей обработке давлением одновременно с пластической деформацией металла протекает рекристаллизация, которая продолжается и после деформации до тех пор, пока температура металла не станет ниже Трекр. При этом в металлах не возникает текстура и они не наклепываются. Такая обработка широко используется при производстве горячекатаного стального полуфабриката различного профиля.
Физические основы пластической деформации
1.1. Общие сведения об обработке металлов давлением
В основе всех процессов обработки металлов давлением (ОМД) лежит способность металлов и их сплавов под действием внешних сил пластически деформироваться, т. е., не разрушаясь, необратимо изменять свою форму и размеры. При этом изменяется структура металла, его механические и физические свойства.
Обработка металлов давлением известна с древнейших времен. Холодная ковка самородной меди и метеоритного железа была известна еще до того, как люди начали добывать металлы из руд (VII в. до н. э.). Техника обработки металлов давлением получила развитие в X. XIII веках, когда кузнецы научились изготавливать многослойные мечи и топоры со стальными закаливаемыми лезвиями, а также предметы бытового назначения, инструменты и ремесленные приспособления. Ручная ковка была исторически первым из применяемых до сих пор способов формоизменяющей обработки металлов. Первый паровой молот, появившийся в 1843 г., деформировал металл силой падения груза, а для поднятия которого использовался пар. В 1888 г. появился молот двойного действия, у которого верхняя «баба» при движении вниз дополнительно разгонялась силой пара. Прокатка металлов возникла позже ковки и волочения. Первые сведения о прокатке относятся к XV в. (прокатка свинцовых полос). Основоположником современных методов прокатки принято считать английского изобретателя Г. Корта, изготовившего первый прокатный стан в 1783 г.
В настоящее время давлением обрабатывают около 90 % всей выплавляемой в мире стали, а также большое количество цветных металлов и их сплавов (до 60 %). В машиностроении наиболее широко применяется штамповка (горячая объемная и листовая). В современном автомобиле насчитывается до 90 % штампованных деталей (облицовочные детали, детали подвески, колесные диски, валы и шестерни коробки передач, детали двигателя (поршни, шатуны, коленчатые и распределительные валы, клапаны), тормозные колодки, бензобаки, глушители и др.), половина из которых не подвергается никаким другим видам обработки, в тракторе — 70 %. Современные двигатели конструктивно состоят из деталей (до 100 %), полученных ОМД.
Обработка металлов давлением — группа методов получения полуфабрикатов или изделий требуемых размеров и формы путем пластического деформирования заготовок за счет приложения внешних усилий.
Основными процессами ОМД являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, объемная и листовая штамповка. По назначению они подразделяются на следующие две группы:
1. Процессы ОМД, направленные на получение машиностроительных профилей — изделий постоянного поперечного сечения по их длине (прутков, труб, проволоки, лент, листов и др.). К этим процессам относятся прокатка, прессование и волочение. Изделия, полученные этими методами, применяются в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей другими методами (резанием, ковкой, штамповкой и т. д.).
2. Процессы ОМД, направленные на получение машиностроительных заготовок, которые имеют форму и размеры, приближенные к готовым деталям, и только в рядечсалеув требуют обработки резанием для придания им окончательных размеров и получения необходимого качества поверхности. К этим процессам относятся ковка и штамповка.
При ОМД, во-первых, достигается получение изделий сложной формы из заготовок простой формы и, во-вторых, улучшается кристаллическая структура исходного литого металла и повышаются его физико-механические свойства.
Преимуществами методов ОМД являются следующие:
1) низкая трудоемкость процессов и, следовательно, их высокая производительность;
2) рациональное использование металла (коэффициент использования металла (КИМ) приближается к единице);
3) стабильность размеров и относительно высокая точность изготавливаемых деталей при большой сложности их форм;
4) универсальность используемого прессового оборудования;
5) возможности для механизации и автоматизации технологических процессов;
6) простота осуществления процесса.
Главными недостатками методов ОМД являются следующие: относительно высокая стоимость инструмента (в условиях серийного производства она составляет до 14 % от себестоимости деталей), а также сложность и уникальность прессового оборудования.
1.2. Сущность пластической деформации
Следует отметить, что металлы характеризуются наличием металлической связи, когда в узлах атомно-кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Наличие такой металлической связи и придает металлу способность подвергаться пластической деформации.
Пластичность — свойство твердого тела под действием внешних сил или внутренних напряжений, не разрушаясь, необратимо изменять свою форму и размеры. Такое изменение формы и размеров металлического тела называют пластической деформацией.
Деформация — изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.
Механизмы пластической деформации. Как бы не были малы приложенные к металлу усилия, они вызывают его деформацию. Начальные деформации всегда являются упругими, и величина их находится в прямой зависимости от нагрузки (закон Гука). При упругой деформации под действием внешних сил изменяются расстояния между атомамилвликчреисктоай решетке. После снятия нагрузки атомы под действием межатомных сил возвращаются в исходное положение, и металл восстанавливает свои первоначальные размеры и форму.
Скольжение. При пластической деформации одна часть кристалла необратимо сдвигается по отношению к другой на целое число периодов атомно-кристаллический решетки — смещается по так называемым плоскостям сдвига (скольжения). Следует отметить, что ими являются кристаллографические плоскости, в которых находится наибольшее количество атомов. Расположение этих плоскостей зависит от типа атомно-кристаллической решетки металла. У aжелеза, вольфрама, молибдена и других металлов с объемноцентрированной кубической (ОЦК) решеткой имеется шесть плоскостей сдвига (в каждой из них имеется по два направления сдвига) и так называемая система скольжения (имеет 6 × 2 = 12 элементов сдвига) (рис. 2.1, а). При этом g-железо, медь, алюминий и другие металлы с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой имеют четыре плоскости сдвига с тремя направлениями скольжения в каждой, т. е. 4 × 3 = 12 элементов сдвига (рис. 2.1, б). У цинка, магния и других металлов с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решеткой имеется одна плоскость с тремя направлениями скольжения, т. е. три элемента сдвига (рис. 2.1, в). Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла.
Рис. 2.1. Плоскости и направления (заштрихованные плоскости) сдвига в кристаллической решетке: а — ОЦК; б — ГЦК; в — ГПУ
Наиболее легкий сдвиг по определенным плоскостям и направлениям объясняется тем, что при таком перемещении атомов из одного устойчивого равновесного положения в другое значения затрачиваемых усилий будут минимальными, и, следовательно, будут наименьшими необходимые для этого затраты энергии.
Если нагрузку снять, перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место и деформация сохранится. Наличие плоскостей скольжения в кристалле подтверждается при микроструктурном исследовании пластически деформированных металлов.
Двойникование. Скольжение или сдвиг по определенным кристаллографическим плоскостям является основным, но не единственным механизмом пластической деформации металлов. При некоторых условиях пластическое деформирование может также происходить путем двойникования. При пониженных температурах у металлов с ОЦК решеткой наблюдается переход от механизма скольжения к механизму двойникования. Сущность двойникования заключается в том, что под действием касательных напряжений одна часть зерна оказывается смещенной по отношению к другой части, занимая симметричное положение и являясь как бы ее зеркальным отражением (рис. 2.2).
Дислокационный механизм пластической деформации. Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений в сотни или даже тысячи раз превышающие по величине те, при которых в действительности протекает процесс
Рис. 2.2. Схема процесса двойникования
пластической деформации. В реальных металлах сдвигас(птилче ское деформирование) происходит при напряжениях, величина которых меньше теоретических в сотни и тысячи раз (например, для железа tтеор ≈ 2 600 МПа, а tреал ≈ 290 МПа, для меди
tтеор ≈ 1 540 МПа, а tреал ≈ 1 МПа). Такое расхождение объясняется дислокационным механизмом пластической деформации.
При дислокационном механизме пластической деформации скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокации, когда сдвиг происходит последовательно от атома к атому вблизи ядра дислокации. В этом случае усилие сдвига значительно меньше, чем при одновременном сдвиге всех атомов.
Данный процесс можно объяснить с помощью моделей движения гусеницы (рис. 2.3, а) и перемещения ковра (рис. 2.3, б).
Рис. 2.3. Дислокационный механизм пластической деформации: а — модель движения гусеницы; б — модель перемещения ковра
Гусеница перемещается путем последовательного подъема одной пары ног и перестановки их в новое место, а не за счет подъема всех ног одновременно и перемещения на шаг. Когда
все ноги гусеницы последовательно выполнят эту операцию, то она переместится на шаг (такой режим движения требует от нее значительно меньших усилий). Аналогичным образом происходит перемещение ковра по полу в случае прокатывания на нем складки, что требует значительно меньших усилий, чем, транспортировка ковра целиком.
Дислокационный механизм пластической деформации объясняетсядсулюещим образом. Атомы, расположенные в поле дислокации, возбуждены (их энергия повышена) и выведены из устойчивого положения равновесия с минимальной свободной энергией. Такое состояние кристалла является метастабильным. Поэтому для того чтобы ограниченная группа атомов в области дислокации сдвинулась и заняла новое устойчивое положение равновесия, достаточно приложить существенно меньшее напряжение, чем при их синхронном сдвиге, т. е. совершить незначительную работу и затратить при этом минимум энергии.
Механизм перемещения дислокации на атомном уровне представлен на рисунке 2.4.
Рис. 2.4. Схема перемещения дислокаций
Следует отметить, что силы взаимодействия атомов зависят от расстояния. В зоне дислокации расстояния атомов 3 и 4 от краевого атома 1 экстраплоскости 1 – 1 1 увеличены и связи между этими атомами утрачены. Под действием сдвигающей силы Р смещение плоскостей приводит к уменьшению расстояния 1 – 4 и увеличению расстояния 2 – 4. В результате этого связь между атомами 1 и 4 восстанавливается, а между атомами 2 и 4 обрывается. Дислокация перемещается на одно межатомное расстояние.
Таким образом, движение дислокации — это процесс последовательного разрыва и восстановления связей в кристаллической решетке. В результате пробега дислокации от одной границы кристалла до другой происходит смещение части кристалла на одно межатомное расстояние. Из совокупности пробегов дислокаций складывается общая деформация кристаллического тела.
1.3. Наклеп и рекристаллизация
Пластическая деформация поликристаллических тел (металлов и сплавов) имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией одного зерна (монокристалла). В поликристаллическом металле зерна (следовательно, и плоскости скольжения) имеют различную ориентировку (рис. 2.5, а). Из-за влияния соседних зерен деформирование каждого зерна не может совершаться свободно. Пластическая деформация на первой стадии начинается тогда, когда действующие напряжения превысят предел упругости. На первой стадии пластическая деформация может происходить лишь в отдельных зернах с благоприятной ориентировкой, у которых плоскости легкого скольжения совпадают с направлением максимальных касательных напряжений. В каждом зерне сдвиг происходит последовательно: сначала по одной плоскости, затем по другой и т. д. Кроме сдвига, происходит и поворот смещенных частей зерна в направлении уменьшения угла между направлениями плоскостей скольжения и направлением растягивающих сил. В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно постоянно вытягивается в направлении растягивающих сил (рис. 2.5, б). Зерна удлиняются настолько, что напоминают волокна, поэтому структура деформированного металла называется волокнистой (рис. 2.5, в). Дальнейшая деформация (вторая стадия) приводит к дроблению зерен.
Рис. 2.5. Схема образования текстуры в поликристаллитном теле: а — исходное расположение зерен; б — изменение формы зерен при пластической деформации; в — текстура металла после деформации
В процессе межзеренных и внутризеренных сдвигов происходит искажение кристаллической решетки, удлинение и поворот зерен, их последующее дробление, что, в конечном итоге, затрудняет дальнейшее скольжение. Это вызывает возрастание сопротивления деформации. Кроме того, неравномерная деформация отдельных зерен приводит к возникновению внутренних напряжений, которые так же вызывают увеличение сопротивления деформации.
При холодной пластической деформациимиезнения структуры приводят к повышению твердости НВ и предела прочности металла σв, а также понижению его пластических (относительное удлинение δ) и вязкостных (ударная вязкость КС) свойств (рис. 2.6). Чем больше величина пластической деформации ε, тем значительнее эти изменения.
Рис. 2.6. Влияние степени деформации на механические свойства металлов
Изменение свойств и структуры металла в результате пластической деформации в холодном состоянии называется наклепом или упрочнением. Интенсивность нарастания наклепа по мере увеличения степени деформации неодинакова (в начальный момент деформирования она резко увеличивается, а затеммзеадляется ).
Наклеп не всегда является отрицательным фактором, затрудняющим процесс получения заготовки пластическим деформированием. Иногда его используют для получения изделия с необходимыми полезными свойствами (часто в сочетании с последующей термической обработкой). Так, холодной пластической деформацией можно в 2. 3 раза повысить предел прочности (особенно предел текучести). Например, гвозди должны быть изготовленыти могу применяться только из наклепанного металла. Гвозди, у которых наклеп снят термической обработкой (побывавшие в печи), к применению непригодны.
Следует отметить, что наиболее прочным материалом в современной технике является нагартованная (упрочненная) стальная проволока (в немецком языке слово hard означает твердость), получаемая в результате холодного волочения при ε = 80. 90 % и имеющая σв = 3 000. 4 000 МПа. Такая высокая прочность не может быть достигнута легированием и термической обработкой.
Понижение пластических свойств наклепанного металла может быть очень значительным. Например, у низкоуглеродистой стали относительное удлинение δ уменьшается почти в 6 раз (с 30. 35 до 5. 6 %).
При определенной степени деформации металл утрачивает пластичность настолько, что дальнейшее деформирование внешним усилием может привести к его разрушению.
Возврат и рекристаллизация. Деформированный металл по сравнению с недеформированным находится в неравновесном состоянии. В таком металле даже при комнатной температуре могут самопроизвольно протекать процессы, приводящие его в более устойчивоеувтнреннее состояние. При повышении температуры скорость таких процессов возрастает.
При нагреве до сравнительно низких температур протекает процесс возврата, т. е. снятие микронапряжений и частично искажений кристаллической решетки. Изменений структуры при этом еще не наблюдается. Возврат несколько изменяет свойства наклепанного металла (понижается его прочность и повышается пластичность). Возврат происходит при температуре (0,2. 0,3) Тпл, °K.
При дальнейшем нагреве в результате теплового воздействия происходит перестройка кристаллов деформированного тела, зарождение новых зерен (кристаллов) и их рост. Такой процесс называется рекристаллизацией.
В результате рекристаллизации (рис. 2.7) образуются совершенно новые зерна, с неискаженной кристаллической решеткой. Размеры новых зерен могут сильно отличаться от исходных. Образование новых зерен приводит к резкому снижению плотности дислокаций и высвобождению энергии, накопленной при пластической деформации металла. В результате рекристаллизации металл разупрочняется и восстанавливает свои первоначальные свойства, а его зерна становятся равноосными.
Рис. 2.7. Изменения микроструктуры деформированного металла при нагреве:
а — наклепанный металл; б — начало первичной рекристаллизации; в — завершение первичной рекристаллизации; г, д — стадии собирательной рекристаллизации
Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Для алюминия она составляет ~2 %, для железа и меди — ~5 %. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит.
Наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен, называется температурой рекристаллиза- ции Трекр. Рекристаллизация для технически чистых металлов происходит при температурах Трекр ≥ 0,4 Тпл, °K. Температура рекристаллизации Трекр. некоторых металлов представлена в таблице 2.1.
Механизм пластической деформации металлов и сплавов
Рассмотрим механизмы пластической деформации монокристалла, где он проявляется в наиболее чистом виде.
Основными механизмами пластической деформации являются скольжение и двойникование.
Скольжение - значительно более распространенный механизм пластической деформации.
Всесторонне равномерное сжатие вызывает появление только упругой деформации: атомы сближаются, пока силы их отталкивания не уравновесят сжимающую нагрузку. При всестороннем равномерном растяжении также происходит лишь упругая деформация: расстояние между атомами увеличивается и, наконец, может произойти разрыв межатомных связей -хрупкое разрушение, таким образом ни всестороннее равномерное сжатие, ни растяжение не приводят к пластической деформации.
Основным типом нагрузки, обеспечивающим необратимое смещение атомов относительно друг друга без нарушения связи между ними, является нагрузка, вызывающая появление сдвига. Поэтому основным механизмом пластической деформации является скольжение атомов относительно друг друга в кристаллической решетке, которое вызывается только сдвигом. Это скольжение происходит, как было сказано выше, по вполне конкретным кристаллографическим плоскостям и направлениям и, прежде всего, по плоскостям с наиболее плотной упаковкой атомов и по направлениям минимальных расстояний между ними.
Двойникование встречается значительно реже (Zn). В результате происходит мгновенный зеркальный перенос одной части кристаллита относительно другой. В плоскости двойникования не может быть проведена дальнейшая пластическая деформация.
Происходит в тех случаях, когда скольжение затруднено (высокие скорости деформации, низкие температуры). Конечная деформация этого эффекта меньше, чем при скольжении.
Скольжение, как основной механизм пластической деформации, происходит за счет касательных напряжений.
Перемещение атомов в плоскости скольжения может произойти лишь тогда, когда касательное напряжение в этой плоскости достигнет вполне определенной критической величины.
Найдем величину касательных напряжений τ, необходимых для перемещения атомов одного ряда относительно другого.
При сдвиге верхнего слоя атомов на величину х≤b/2 будет действовать сила F, которая стремится вернуть атомы в первоначальное устойчивое положение; х=b/2 - неустойчивое равновесие; х≥b/2 - атомы стремятся занять новое положение.
Критическое сдвиговое напряжение, которое нужно приложить, чтобы сдвинуть слой атомов на одно межатомное расстояние
где а, b - параметры решетки; σ - сопротивление сдвигу.
Из таблицы видно, что теоретическая величина этого напряжения на 2-3 порядка выше опытной величины. Значит, действительная картина не соответствует классическому механизму, по которому одна атомная плоскость целиком движется по соседней.
Наиболее логичное и последовательное объяснение механизма пластической деформации дает теория дислокаций, согласно которой скольжение атомов относительно друг друга есть результат перемещения дислокаций в плоскости сдвига.
Дислокация - несовершенство кристаллической решетки, когда число атомных плоскостей, расположенных выше и ниже плоскости скольжения, неодинаково.
AB и A1B1 - лишний внедренный атомный слой (экстра-плоскости);
А и A1 - края экстраплоскости - это центры или ядра линейных краевых дислокаций.
Внедренные слои вызывают искажения решетки - уплотнение в зоне В(B1) и разрежение в зоне ядер дислокаций. Расстояние между атомами в районе дислокации значительно больше или меньше, чем у правильной кристаллической решетки и атомы занимают неустойчивое положение. С удалением от дислокаций на 2-3 периода решетки искажения затухают
Следовательно, требуется значительна меньше усилий для смещения атомов из одного полуустойчивого положения в другое. Под действием сдвигающего напряжения (даже незначительного) дислокация в плоскости скольжения становится легкоподвижной. Перемещение дислокации на целое межатомное расстояние совершается благодаря незначительной перестановке атомов (эстафета «экстра-плоскости» в направлении сдвига), а большая часть атомов кристалла остается на своих местах. Если не окажется препятствий, скольжение дислокаций под действием τ будет продолжаться через весь кристалл, и одна его часть окажется сдвинутой относительно другой на величину периода решетки - это законченный элементарный акт пластической деформации.
Выделяют винтовые дислокации - плавный сдвиг части решетки относительно другой на один параметр. Вокруг оси такой дислокации образуется винтовая поверхность с «правой» или «левой» спиралью - правая или левая дислокация. Предполагают, что реальные дислокации - смешанные: частично винтовые и частично краевые.
Можно было бы предположить, что по мере развития деформации дислокации выходят на поверхность, удаляются из кристалла, его структура совершенствуется, и сопротивление скольжению должно стремиться к теоретическому. Ho на самом деле при деформации дислокации и зарождаются, и накапливаются, то есть их плотность в объеме кристалла увеличивается.
В условиях, когда помимо внешних сил на деформируемое тело действует и температура (горячая обработка), механизм пластической деформаций усложняется; к сдвиговому добавляется диффузионный (межфазовое перемещение через растворение и осаждение, межзеренное перемещение при наличии рекристаллизации поликристалла).
С позиций теории дислокаций пластическая деформация (необратимое изменение формы) - есть необратимое перемещение дислокаций. Деформация осуществляется за счет образования дислокации и ее пробега по кристаллу. Силу т невозможно приложить одновременно равномерно ко всей плоскости скольжения, так как атомы связаны друг с другом упруго. Конечная деформация за счет пробега одной дислокации незначительна, но дислокаций в реальных металлах много: в отожженном металле 10в7-10в8 ед./см2, в сильно деформированных металлах - 10в12 ед./см2. Следовательно, дислокации имеют место и в идеальных монокристаллах и образуются за счет внешних воздействий.
Читайте также: