Упрочнение металла при холодной деформации
Холодная деформация протекает при температурах значительно более низких, чем температуры рекристаллизации и характеризуется большим искажением формы зерен под действием внешних сил, упрочнением металла (наклепа) и появлением в нем внутренних напряжений.
Холодная деформация увеличивает твердость металлов и их прочность при значительном уменьшении пластичности (удлинения и ударной вязкости) теплопроводности и сопротивления коррозии. Однако если наклепанный металл нагреть до температуры рекристаллизации, после охлаждения его прочностные свойства будут такими же, как и до холодной деформации.
29. Пластичность. Сверхпластичность. Методы оценки пластичности.
Пластичность зависит от природы вещества — его химического состава и структурного строения от температуры и скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.
Сверхпластичность - состояние материала, имеющего кристаллическую структуру, которое допускаетдеформации, на порядок превышающие максимально возможные для этого материала в обычном состоянии
Методы оценки пластичности:
1. Испытание растяжением на разрыв:
Выполняется на специальных испытательных машинах. При таких испытаниях определяется и предел прочности. Показателем пластичности служит относительное удлинение образца:
Или относительное уменьшение площади поперечного сечения в месте разрыва:
где и - принятая для расчета часть длины образца и площадь поперечного сечения образца до испытания;
и - принятая для расчета часть длины образца и площадь поперечного
сечения образца после испытания;
Относительное уменьшение площади поперечного сечения не зависит от расчетной длины и поэтому считается наиболее точной характеристикой.
Относительное удлинение определяется на том участке длины образца, где образуется метка.
2. Испытание осадкой:
Цилиндрические образцы осаживают под молотом или прессом. Показателем пластичности служит относительная деформация по высоте до образования первой трещины на боковой поверхности образца. Этот метод недостаточно точен, т.к. не всегда удается заметить появление первой трещины (при высокой пластичности трещины могут вообще на появиться). Отсутствие трещин на боковой поверхности свидетельствует о достаточной пластичностью.
3. Испытание на скручивание:
Метод заключается в зажиме концов цилиндрического образца в двух головках испытательной машины. В период испытания одна из головок остается неподвижной, а другая вращается, скручивая образец. Показателем пластичности служит число скручиваний образца до разрушения. Испытание на скручивание получило широкое применение, т.к. по сравнению с другими методами оно меньше всего подвержено влиянию нормальных напряжений.
4. Испытание на выдавливание по методу Эриксена:
Данный метод применим для испытания тонких листов. Пластинка листового металла с помощью пуансона со сферической поверхностью продавливается через круглое отверстие матрицы. Для того, чтобы при выдавливании не образовалось складок образец прижимается к матрице кольцевой шайбой. Характеристикой пластичности является глубина вдавливания пуансона (в мм), при которой на поверхности лунки начинают образовываться первые трещины.
5. Испытание прокаткой клиновидного образца (прокатка на клин):
Метод выполняется на валках, имеющих прямоугольный калибр, с постепенно изменяющийся по окружности валка высотой. При прокатке клинового образца обжатие по его длине ведется до появления первых трещин. Характеристикой пластичности служат относительное обжатие на месте образования первой трещины. Пластичность иногда оценивают по косвенным показателям: ударная вязкость, отношение предела текучести к пределу прочностью.
30. Факторы влияющие на сопротивление деформации
1. Влияние природных свойств металла – различные металла обладают разным сопротивлением деформации, что связанно с их химическим составом, строением атомов кристаллической структурой. Чистые тугоплавкие металлы, как правило, имеют более высокое сопротивление деформации, чем легкоплавкие, но это не является общей закономерностью. Податливость различных металлов деформирующим силам оценивают пределом текучести, который представляет сопротивление деформации данного металла в отожженном состоянии, в условиях линейного напряженного состояния и при стандартных температурно-скоростных условиях деформации;
2. Влияние температуры металла – у всех металлов сопротивление деформации при нагреве уменьшается, приобретая минимальные значения вблизи температуры плавления, однако изменения сопротивления деформации при повышении температуры не всегда имеют плавный характер. У стали , например при температурах С имеются отклонения от общей закономерности в сторону повышения значений, что объясняется переходом металла в новую кристаллическую модификацию (рисунок 46);
Рисунок 46 – Зависимость предела прочности стали, содержащей 0,15-0,55% С, от температуры.
3. Влияние степени наклепа – при низких температурах, когда рекристаллизация не происходит, существенное влияние на сопротивление деформации оказывает наклеп (упрочнение). Только за счет влияния этого фактора сопротивление деформации может увеличиться в 3-4 раза. Наиболее резкое влияние наклеп оказывает на первых стадиях обработки, до получения суммарной деформации в 40-50%;
4. Влияние скорости деформации – при горячей обработке металлов влияние наклепа тесно связанно с влиянием скорости деформации. Под скоростью деформации понимают приращение степени деформации за единицу времени. Если при растяжении или сжатии с постоянной скоростью за определенное время t сек получена деформация, то скорость деформации будет:. Если скорость протекания процесса непостоянна, то приходится определять скорость деформации для каждого промежутка времени:
Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией. Наклеп снижает пластичность и ударную вязкость, но увеличивает предел пропорциональность, предел текучести и твердость. Наклеп снижает сопротивление материала деформации противоположного знака. При поверхностном наклепе изменяется остаточное напряженное состояние в материале и повышается его усталостная прочность. Наклеп возникает при обработке металлов давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка), резанием, при обкатке роликами, при специальной обработке дробью.
Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.
Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного пластического деформирования (ППД) или поверхностного наклепа широко используется в промышленности для повышения сопротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости деталей машин. На рисунке 3 приведены схемы различных ППД.
Поверхностное упрочнение достигается:
1) дробеструйным наклепом за счет кинетической энергии потока чугунной или стальной дроби; поток дроби на обрабатываемую поверхность направляется или скоростным потоком воздуха, или роторным дробеметом (рис. 3, а);
2) центробежно-шариковым наклепом за счет кинетической энергии стальных шариков (роликов), расположенных на периферии вращающегося диска; при вращении диска под действием центробежной силы шарики отбрасываются к периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются в глубь гнезда;
3) накатываем стальным шариком или роликом (60 HRC) (рис. 3, б); передача нагрузки на ролик может быть с жестким и упругим контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью;
4) алмазным выглаживанием оправкой с впаенным в рабочей части алмазом (рис. 3, з); оно позволяет получать блестящую поверхность с малой шероховатостью.
Упрочнение стали при холодной деформации
Холодная деформации, которой подвергается, как правило, горячедеформированная сталь, проводится для получения стальных изделий нужной формы и размера с заданной чистотой поверхности. Существует несколько способов холодной деформации стали - прокатка, волочение, экструзия, штамповка, каждый из которых производится на специальном оборудовании. Холодная прокатка осуществляется на специальных станах. Мало- и среднеуглеродистые стали прокатывают на непрерывных многоклетьевых, труднодеформируемые — на одноклетьевых, легированные, в том числе нержавеющие,— на реверсивных станах. При прокатке широких полос малой толщины используют многовалковые станы.
Деформацию волочением применяют при производстве изделий малых сечений и относительно большой длины (проволоки, тонкостенных труб малого диаметра). Волочение горячекатаных прутков осуществляют с целью повышения точности размеров и качества поверхности (этот процесс еще называют калибровкой). Калибровке подвергают также катанку и трубы, получаемые горячей прокаткой или прессованием. Волочение позволяет увеличить диаметр труб (раздача труб волочением). При экструзии металл протягивается через специальные матрицы — фильеры. Этим способом можно получить изделия любого профиля. Холодной штамповкой листовой стали изготавливают полые изделия. К основным операциям холодной штамповки относятся гибка, свертка, вытяжка, обжим, раздача.
В процессе холодной деформации сталь значительно упрочняется, поэтому холодная прокатка, волочение, экструзия — весьма эффективные способы повышения прочности стали. С помощью холодной деформации в изделиях специального назначения удается повысить прочность до 3000 МПа и выше.
Способность стали к деформационному упрочнению в процессе холодной пластической деформации характеризуется показателем деформационного упрочнения пу, который определяется экспериментально при испытаниях на растяжение:
где d0 и dв - соответственно диаметры образца до испытания и в момент максимальной нагрузки.
Упрочнение стали начинается после окончания упругой стадии деформации, когда в металле происходит множественное скольжение дислокаций и тормозится их движение. Величина пластической деформации е, приводящей к генерированию дислокаций в стали, определяется выражением
где σ — текущее напряжение; σт — предел текучести; Е — модуль сдвига стали.
Плотность дислокаций с вектором Бюргерса Ь, образующихся при пластической деформации, пропорциональна отношению е/Ь.
Напряжение течения (предел текучести) стали зависит от плотности дислокаций р┴:
Здесь σi — сопротивление решетки пробегу дислокаций; G— модуль сдвига стали.
При прохождении через клети прокатного стана с увеличением степени деформации сталь упрочняется постепенно, что приводит к возрастанию в последующих клетях деформирующих усилий. Следует отметить, что упрочнение стали растет непропорционально увеличению обжатия: оно наиболее сильно развивается на начальных этапах деформации (до 20 %), затем его интенсивность снижается.
Наклеп и рекристаллизация
Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.
Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.
Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций r. По мере увеличения плотности дислокаций r сопротивление пластическому деформированию уменьшается (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций
Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций rкр, когда начинается взаимодействие силовых полей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.
Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформированию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислокаций до очень малого значения.
Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σВ, σ0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, КСU) уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристаллической структуры, которые затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.
Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обработка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.
Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плотности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к увеличению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.
Второй способ – создание металлов и сплавов с бездефектной структурой – является более прогрессивным. В настоящее время получают кристаллы небольших размеров (длиной 2–10 мм и толщиной 0,5–2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.
Рис. 3.9. Текстура, возникающая при пластической деформации: а) исходная структура, б) текстура при растяжении, в) текстура при сжатии, г) текстура при сдвиге
При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в направлении деформации, образуется так называемая текстура (textura – ткань, связь, строение) – анизотропная поликристаллическая или аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориентировкой. Текстуры могут быть осевыми – с предпочтительной ориентировкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими – с ориентировкой относительно особой плоскости и полными – при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 3.9). Текстура создает анизотропию свойств.
Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения металла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве наклепанного металла в нем протекают следующие процессы:
· частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между собой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата);
· уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противоположных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свободных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации);
· зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристаллизации).
Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами (первичная рекристаллизация), в результате чего полностью снимается наклеп, созданный при пластическом деформировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения (рис. 3.10). Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 10 10 –10 12 до
10 6 –10 8 см -2 .
Рис. 3.10. Изменение прочности, пластичности и зернистого строения
в процессе нагрева деформированного металла
При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повышением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным – процесс вторичной (собирательной) рекристаллизации.
Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного металла и восстановление его пластичности, называют температурным порогом рекристаллизации ТПР.
Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллизации снижается с повышением степени деформации, увеличением длительности нагрева или уменьшением величины зерна до деформации.
Температура начала рекристаллизации ТПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4ТПЛ, для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)ТПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5–0,6)ТПЛ.
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.
Упрочнение металла при холодной деформации (наклеп)
Е сли дислокация подходит к границе двух зерен и не может выйти на поверхность, она застревает. Следующие дислокации, подходят к застрявшей дислокации, образуя скопление дислокаций вблизи границ зерен. Чем мельче зерна, тем больше поверхность их раздела, и тем выше уровень напряжений, необходимый для смещения дислокаций. Напряжения скапливаются у границ зерен, все больше заполняя решетку. Для дальнейшей деформации кристалла необходимо повысить внешнее усилие. При этом происходит прорыв дислокаций через препятствие, раздробление блоков, увеличение их границ, и тем самым больше мест скопления дислокаций. Упрочнение металла в результате скопления дислокаций на границах зерен и невозможности их перемещения называется наклепом металла при холодной деформации. В результате наклепа возрастает упругое искажение кристаллической решетки, увеличивается сопротивление деформации и уменьшается пластичность. Увеличение прочности особенно интенсивно происходит на начальных стадиях деформации (до 25%).
Для упрочнения металла в него вводят атомы другого металла (легируют), т.е. повышают количество дефектов кристаллической решетки.
Таким образом, с одной стороны дефекты ослабляют металл, а с другой – затрудняют движение дислокаций, что упрочняет металл.
Кроме увеличения количества дислокаций при холодной деформации происходит и изменение формы кристаллов. Зерна, имевшие до деформации произвольную ориентацию, после деформации вытягиваются в определенном направлении. Механические свойства металла становятся неодинаковыми в различных направлениях, т.е. материал становится анизотропным. Ориентация кристаллических решеток зерен в определенном направлении с появлением анизотропии свойств называется текстурой. Таким образом, наклеп сопровождается текстурой кристаллов.
Кроме увеличения прочностных свойств при наклепе увеличивается электрическое сопротивление (до 50%), уменьшается электропроводность, коррозионная стойкость и магнитная проницаемость металлов.
Изменение свойств наклепанного металла при нагреве
При нагревании металлов до сравнительно низких температур (~0.3Tпл.) в металлах происходит процесс возврата или отдыха, при котором наклепанный металл частично разупрочняется. В процессе возврата уменьшается количество точечных дефектов, предел текучести снижается на 30%. Изменение текстуры и величины зерна при этом не происходит.
При повышении температуры нагрева происходит рекристаллизация металла. Температура начала рекристаллизации зависит от степени предшествующей деформации: чем больше степень деформации (т.е. наклеп), и тем легче и при низких температурах протекает процесс рекристаллизации. Например, в железе, деформированном на 70%, рекристаллизация начинается при 450 0 С, а при деформации 5% - при 700 0 С. Но в основном, температура начала рекристаллизации составляет 0,4Тпл. Если дать рекристаллизации пройти до конца, то металл полностью разупрочняется, снимаются внутренние напряжения, все свойства возвращаются к ненаклепанному состоянию. Разупрочнение наклепанного металла объясняется устранением несовершенства кристаллической решетки, вызванного холодной деформацией, зарождаются и растут новые, недеформированные зерна.
Таким образом, конечный размер зерна и прочностные характеристики металла зависят от степени предшествующей деформации, температуры нагрева и времени выдержки материала при этой температуре.
На основании понятий наклепа и рекристаллизации Губкин С.И. предложил другую классификацию горячей и холодной обработки.
Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.
Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее меньше скорости деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения. Такая деформация происходит при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.
При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.
При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.
По этой теории холодная и горячая деформации не связаны с нагревом, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.
Читайте также: