Влияние нагрева на свойства металла

Обновлено: 07.01.2025

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 образование новых зерен. Первое не требует высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300-400 °С) снимает искажения решетки (как результат многочисленных субмикропроцессов — уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения, так называемая аннигиляция, слияния блоков, уменьшение внутренних напряжений, уменьшение количества вакансий и т. д.). Линии на рентгенограммах деформированного металла, размытые вследствие искажений решетки и нарушений ее правильности, вновь становятся четкими. Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность несколько понижаются (на 20-30 % по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.

Рис. 68. Образование дислокационной сетки (полигонизация)

Наряду с этим, т. е. с отдыхом (возвратом), может происходить еще так называемый процесс полигонизации, заключающийся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя стенку (см. рис. 68, а) и создавая ячеистую структуру (рис. 68, б), 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 Грек ( — абсолютная температура рекристаллизации; — абсолютная температура плавления; а — коэффициент, зависящий от чистоты металла). Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов обычной технической чистоты Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает Наоборот, очень

чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: и даже

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. 69.

Рис. 69. Схема изменения строения иагартованного металла при нагреве

Пользуясь коэффициентом а, легко подсчитать температуру рекристаллизации металлов обычной чистоты: для железа она будет около 450 °С, для меди около 270 °С; для алюминия около 50 °С. Для таких легкоплавких металлов, как цинк, олово, свинец, температура рекристаллизации ниже комнатной.

Кроме чистоты металла, минимальная температура рекристаллизации зависит также и от степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, чем более искажена структура, тем менее она устойчива, тем больше ее стремление принять более устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т. п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом (подробнее см. гл. XI).

Пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации, хотя и приводит к упрочнению, но это упрочнение устраняется протекающим при этих температурах процессом рекристаллизации. Следует отметить, что рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после ее окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже доли секунд.

Следовательно, при пластическом деформировании выше температуры рекристаллизации упрочнение и наклеп металла, если и произойдут, то будут немедленно сниматься динамической рекристаллизацией. Такая обработка, при которой нет упрочнения (наклепа), называется горячей обработкой давлением. Обработка давлением (пластическая деформация) ниже температуры рекристаллизации вызывает наклеп и называется холодной обработкой.

Следовательно, пластическое деформирование железа при 600 °С следует рассматривать как горячую обработку, а при 400 °С - как холодную. Для свинца и олова пластическое деформирование даже при комнатной температуре является по существу горячей обработкой, так как температура 20 °С выше температуры рекристаллизации этих металлов. Эти металлы в практике называют ненаклепываемыми, хотя при деформировании у них образуются линии сдвига (что показывает, например, характерный хруст оловянной пластинки при ее изгибании).

При горячей обработке металла, чтобы увеличить его пластичность, а также чтобы устранить возможность наклепа, применяют температуры, значительно превосходящие минимальную температуру рекристаллизации.

В других случаях наоборот, приближают температуру деформации к температуре рекристаллизации. В этом случае уменьшается деструкция и склонность и локализованной деформации (см. выше стр. 64 четвертый вид сверхпластичности).

Для отжига наклепанного материала в производственных условиях применяют более высокие температуры, чем минимальная температура рекристаллизации, для обеспечения большей скорости рекристаллизационных процессов. В табл. 11 приведены теоретические температуры рекристаллизации, температуры, при которых в производственных условиях осуществляют рекристаллизационный отжиг, а также температуры горячей обработки давлением.

Таблица 11. (см. скан) Температура рекристаллизации и горячей обработки металлов давлением

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. 70). Аналогично изменению твердости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести). На рис. 70 показаны также изменения пластичности (6). Низкая температура нагрева и происходящий при ней возврат несколько повышают пластичность, но лишь рекристаллизация восстанавливает исходную (до наклепа) пластичность металла.

Изменения микроструктуры при нагреве наклепанного металла показаны на рис. 71.

Исходная структура нагартованной латуни показана на рис. 71, а. Видны вытянутые зерна с большим числом сдвигов. Невысокий нагрев, вызывающий небольшое снижение твердости вследствие возврата, существенно не изменяет микроструктуры (рис. 71, б). Нагрев до 350 °С приводит зерна металла почти к равноосному состоянию вследствие рекристаллизации. Эта температура, очевидно, лежит несколько выше порога рекристаллизации (но незначительно), так как размер зерен невелик. Более высокая температура (550-800 °С) вызывает рост зерна.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

1) первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

2) вторичная, или собирательная рекристаллизация, заключающаяся в росте зерен и протекающая при более высокой температуре.

Рис. 70. Изменение механических свойств наклепанного металла в зависимости от температуры отжига

Серия микроструктур, приведенная на рис. 72, показывает типичный процесс роста зерен (собирательная рекристаллизация).

На рис. 72, а представлена структура сплава (твердый раствор хрома в никеле) после окончания первичной рекристаллизации. Видны мелкие равноосные зерна. Повышение температуры приводит к росту отдельных зерен за счет мелких; получается структура, состоящая из отдельных крупных зерен, окруженных мелкими (рис. 72, б). Дальнейшее повышение температуры еще увеличивает число крупных зерен (рис. 72, а), пока, наконец, мелкие зерна не окажутся «поглощенными» крупными, и вся структура тогда будет состоять из крупных зерен (рис. 72, г).

Процессы первичной и вторичной рекристаллизации имеют ряд особенностей.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходили внутризеренные.процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из таких зерен, т. е. очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент

наступает процесс вторичной рекристаллизации, заключающейся, как говорилось раньше, в росте зерен.

Рост кристаллов — процесс самопроизвольный, определяемый стремлением системы к уменьшению запаса внутренней энергии.

Если принять, что в единице поверхности заключена поверхностная энергия определенной величины, то укрупнение зерна, т. е. получение из нескольких мелких зерен меньшего числа крупных, приводит к уменьшению суммарной поверхности зерна («внутренней поверхности») и, следовательно, к уменьшению запаса свободной энергии в системе.

Рис. 71. Изменение микроструктуры наклепанной латуни в зависимости от температуры нагрева, °С, X 100: а - без нагрева; б - 300; в - 360; г - 450; д - 550; е - 650; ж - 750; з - 800

Важно знать, по какому механизму растет зерно, так как от размера зерна зависят многие свойства, а зная механизм роста зерна, можно регулировать его размеры термической обработкой.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

1) зародышевый — состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, и их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше,

чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный — состоящий в перемещении границы зерна и в увеличении его размеров (рис. 73);

Рис. 72. Процесс роста зерна при рекристаллизации (Х100)

Так как крупное зерно термодинамически устойчивее мелкого (отношение 5/V у него меньше, где S — поверхность, объем), то растут крупные зерна за счет «поедания» мелких зерен;

3) слияние зерен — состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное (рис. 74).

Первый «зародышевый» процесс, по-видимому, реализуется весьма редко (образование новых зерен из рекристаллизованных энергетически маловероятно). Миграция границ зерен является диффузионным процессом, скорость его определяется

скоростью самодиффузии, и поэтому этот процесс имеет преимущественное значение при высокой температуре, значительно выше температуры рекристаллизации.

Слияние зерен не требует для своего осуществления значительных диффузионных процессов, и, главное, процесс слияния может происходить одновременно по всем (или многим) поверхностям межзеренного раздела.

Рис. 73. Миграция границ зерна (стрелками показано скачкообразное движение границы зерна): а — оловянистая бронза, Х225; б — тантал, X 100

Межзеренные границы являются, как об этом уже говорилось, сосредоточением различных дефектов, дислокаций в первую очередь. Аннигиляция этих дефектов по сути дела есть уничтожение границ зерен. Следовательно, процесс роста зерен путем слияния происходит при более низкой температуре, чем рост зерен путем миграции и, как показывает практика, приводит к образованию очень крупных зерен.

Для незавершенного процесса слияния характерно наличие структуры, состоящей из небольшого числа крупных зерен и большого

числа мелких (рис. 74, г). Такая разнозернистая структура не обладает стабильными и высокими свойствами.

Из сказанного следует заключить, что процесс слияния вредно отражается на структуре и, следовательно, и свойствах, так как может привести к крупнозернистости (при завершении процесса) или к разнозернистости (при незавершении процесса), и тогда следует принять меры, предупреждающие это.

Рис. 74. Процесс слияния зерен: а — начальная стадия; б, в - постепенное растворение границ; г — конечная стадия

Какой из перечисленных двух основных механизмов роста зерна реализуется, зависит от температуры: при более низкой температуре рост зерна происходит за счет слияния, при более высокой — за счет миграции границ, а также и от исходного структурного состояния, в частности от степени, предшествующей пластической деформации.

При малой степени деформации насыщенность дефектами незначительна и поэтому образование новых, свободных от дефектов, рекристаллизованных зерен не дает значительного эффекта в смысле выигрыша в свободной энергии. Поэтому при малой степени деформации первичная рекристаллизация осуществляется с трудом

(при высокой температуре), и роста зерна при вторичной рекристаллизации почти не происходит.

При некоторой сравнительно небольшой степени пластической деформации создается сравнительно небольшая плотность дислокаций в основном по границам зерен, обеспечивающая преимущественное развитие процесса роста зерна по механизму слияния, что при завершенности процесса приводит кочень сильному росту зерна (рис. 75).

Рис. 75. Размер зерна после рекристаллизации в зависимости от степени предшествующей деформации (схема)

Степень деформации, обусловливающая преимущественное развитие процесса слияния и приводящая после нагрева к гигантскому росту зерна, называется критической степенью деформации. Она невелика и находится в пределах 3- 8 % (обычно). Если после деформации осуществляется рекрисгалл изационный

Рис. 76. Макроструктура алюминия после рекристаллизации в зависимости от степени деформации. % (указана у структур)

нагрев, то критической степени деформации следует избегать.

При сверхкритической деформации плотность дефектов такова, что механизм слияния затруднен. Рост зерна происходит в результате миграции границ, что при прочих равных условиях дает более мелкое зерно, чем то, какое получается при процессе слияния.

На рис. 76 представлена структура деформированного алюминия. Деформацию создавали растяжением, а затем металл рекристаллизовался при 350 °С в течение 30 мин. При отсутствии деформации (макроструктура сфотографирована без увеличения) структура настолько мелкозерниста, что отдельные зерна неразличимы без увеличения.

Рис. 77. Диаграмма рекристаллизации жаропрочного никелевого сплава а — скорость нагрева 7 °С/мин; б — температура нагрева 1080 °С

Наиболее крупное зерно получается при минимальной деформации (остаточное удлинение 3 %), которая, очевидно, близка к критической деформации. По мере увеличения степени деформации размер зерна в рекристаллизованном металле уменьшается. Следовательно, средний размер зерна после рекристаллизации зависит от температуры рекристаллизации и степени деформации. Зависимость размера зерна рекристаллизованного металла от обоих этих факторов характеризуется так называемыми полными диаграммами рекристаллизации.

Для никелевого сплава такая диаграмма приведена на рис. 77, а, из которого видно, что размер зерна уменьшается по мере увеличения степени деформации и понижения температуры при рекристаллизационном отжиге.

Рост зерна наблюдается при нагреве выше температуры рекристаллизации, в данном случае выше 950 °С. Малые степени деформации приводят к интенсивному росту зерна, и чем выше температура нагрева, тем больше рост зерна. Однако такой интенсивный рост зерна в слабодеформированном металле наблюдается лишь при быстром нагреве. Если нагрев проводить медленно (рис. 77, 6), то процесс полигонизации успевает произойти и рост зерна, состоящий в объединении (слиянии) многих зерен в одно крупное, не происходит. Протекает обычная рекристаллизация, т. е. возникновение центров и рост из них кристаллов, что не дает зерен-гигантов. Медленный нагрев может быть заменен ступенчатым, причем выдержка должна быть на 30-50 °С ниже температуры рекристаллизации.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Около 10…15 % всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем. Остальная часть энергии идет на нагрев металла.

Деформированный металл находится в неравновесном, неустойчивом состоянии, и в нем могут протекать процессы, направленные на достижение устойчивого состояния. Этот переход связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке и снятием напряжений, что в свою очередь определяется возможностью перемещения атомов.

С повышением температуры подвижность атомов увеличивается и начинают развиваться процессы, приводящие металл к равновесному состоянию. По мере нагрева деформированный металл проходит стадии возврата и рекристаллизации, в результате чего изменяются его структура и свойства (рисунок 20).

В области возврата (при нагреве до 0,3 Т_пл) происходит повышение структурного совершенства металла в результате уменьшения плотности дефектов строения. При этом не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в оптический микроскоп. Механические свойства металла изменяются незначительно, порядка на 5…7 %.

При низких температурах (ниже 0,2 Т_пл) протекает первая стадия возврата — отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования субграниц. При нагреве вакансии поглощаются дислокациями, которые двигаются к границам зерен. Часть дислокаций противоположного знака уничтожается.

Вторая стадия возврата — полигонизация, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллов на субзерна (полигоны). При нагреве беспорядочно распределенные дислокации одного знака выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к образованию в монокристалле или в зерне поликристалла субзерен (полигонов), свободных от дислокаций и отделенных дислокационными границами (рисунок 21).

Этот процесс протекает обычно при небольших деформациях при температуре (0,25…0.3)Т_пл, и им создаются условия для образования в структуре металла зародышей новых зерен.

Рисунок 21 — Схема процесса полигонизации

Стадия первичной рекристаллизации в деформированном металле происходит при его нагреве выше 0,3Т_пл. При высоких температурах подвижность атомов возрастает и образуются новые равноосные зерна.

Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется первичной рекристаллизацией.

В деформированном металле на участках с повышенной плотностью дислокаций образуются и растут зародыши. Образуется совершенно новое зерно, по размерам отличающееся от исходного до деформации. Наклеп практически полностью снимается, и свойства приближаются к их исходным значениям.

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурным порогом рекристаллизации.

Температурный порог рекристаллизации (Т_р) связан с температурой плавления металла зависимостью А.А.Бочвара:

где Т_пл — абсолютная температура плавления, К;

а — коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для металлов высокой чистоты а = 0,1…0,2; для технически чистых металлов а=0,4; для сплавов твердых растворов а = 0,5…0,6.

Для некоторых металлов значение температурного порога рекристаллизации приведено в таблице 2.

Рекристаллизационный отжиг малоуглеродистых сталей проводят при 600…700 0 С, латуней и бронз при 560…700 0 С, алюминиевых сплавов при 350…450 0 С, титановых сплавов при 550…750 0 С.

Собирательная рекристаллизация проходит после завершения первичной рекристаллизации в процессе дальнейшего нагрева. Она заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.

Таблица 2 — Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов

Металл	Температура плавления, 0 С	Температура рекристаллизации, 0 С
Вольфрам	3400	1200
Молибден	2625	900
Железо	1539	450
Медь	1083	200
Алюминий	660	100

Особенность собирательной рекристаллизации состоит в том, что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, ”поедая” их вследствие перехода атомов через границы раздела. Зерна с вогнутыми границами растут за счет зерен с выпуклыми границами (рисунок 22). Атом на вогнутой поверхности имеет большее число соседей и, следовательно, меньшую энергию, по сравнению с атомами на выпуклой поверхности. Малые зерна постепенно исчезают. Собирательная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов и поэтому чаще всего недопустима для наклепанного металла.

Рисунок 22 — Схема роста зерен при собирательной рекристаллизации

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень производительной пластической деформации (рисунок 23).

Величина зерна возрастает с повышением температуры нагрева и времени выдержки. При температурах Т₁ и Т₂ (выше Т_р) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу, а через некоторый отрезок времени t₁ и t₂, который называется инкубационным.

Рисунок 23 — Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна

Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации, обычно порядка 3…15 %, такую степень деформации называют критической.

Критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизации.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Т.е. процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и рекристаллизацию. В свою очередь, при возврате различают отдых и полигонизацию.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки.

Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре

..

Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.

Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.

В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный.

Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.8.4). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис.8.5 а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.

Рис. 8.4. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойства

Рис. 8.5. Изменение структуры деформированного металла при нагреве

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация– процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления

для металлов для твердых растворов для металлов высокой чистоты

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t₁ начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической.

1. Что называется деформацией?

2. Какие виды деформации вы знаете? Приведите примеры.

3. Как осуществляется пластическая деформация в кристалле? Назовите две разновидности пластической деформации.

4. Дайте понятия «монокристалл» и «поликристалл».

5. Что такое «нагартовка» - «наклёп»?

6. Как вы понимаете понятие «текстура»?

7. Каким образом получают нагартованную текстуру?

8. Какие отрицательные свойства появляются у металла после нагартовки?

9. Что такое «возврат»? Виды возврата нагартованного металла.

10. Что такое «рекристаллизация»? Какие вам известны стадии рекристаллизации?

11. Медь имеет решётку ГЦК, а цинк - ГПУ. Какой из этих металлов пластичней?

12. Стальная проволока для тросов производится методом холодной вытяжки. Чем объясняется высокая прочность тросов?

Зарисуйте таблицу «Явления возврата и рекристаллизации наклёпанного металла» и заполните её.

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 (τ_к).

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 (τ_к) 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 (σ_в, σ_т, 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;σ_в; σ_0,2; σ_упр) и понижаются пластичность и вязкость (δ; φ; а_н). 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 Т_рекр— абсолютная минимальная температура рекристаллизации; α — коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы; Т_пл — 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 Т_рекр, 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 ε_кр для железа равна 5. 6 %, для малоуглеродистой стали — 7. 15, для меди — около 5, для алюминия — 2. 3 %).

При рекристаллизации после деформирования материала с ε_кр 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 Т_рекр. При этом в металлах не возникает текстура и они не наклепываются. Такая обработка широко используется при производстве горячекатаного стального полуфабриката различного профиля.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформируемого металла Примерно 10-15%всей энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем. Оставшаяся энергия используется для нагрева металла.

Деформированный металл находится в неравновесном и неустойчивом состоянии, а также могут возникать процессы, направленные на достижение устойчивого состояния. Этот переход связан с уменьшением деформации кристаллической решетки и релаксацией напряжений, что определяется способностью атомов к move.

As как показано на фиг. 11, при нагреве деформированного металла он проходит стадии возврата и перекристаллизации, в результате чего происходит изменение структуры и свойств(фиг.25). В зоне возврата (при нагревании до 0,3 ТМ) плотность структурных дефектов снижается, что повышает структурную целостность metal. At при этом под световым микроскопом не видно никаких заметных изменений в структуре. Рисунок 25.

Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве： 1-прочность, твердость; 2-пластичность Механические свойства металлов несколько отличаются и находятся в пределах 5-7 / О. При низких температурах (менее 0,2 Тал) точечные дефекты (вакансии) редуцируются, а дислокации перераспределяются без субграниц, что приводит к первому возвращению листовой стали. При нагревании вакансии поглощаются дислокациями, перемещающимися к границам зерен.

Некоторые из дислокаций противоположного знака разрушаются. Преднамеренный шаг в триангуляции означает дробление (фрагментацию) кристалла в субзерно (многоугольник).При нагревании случайно распределенные дислокации с одинаковым символом выравниваются в стенке дислокации, а в монокристаллических или многокристальных зернах, разделенных на границе дислокации без дислокаций, образуются подзерна (полигоны).

Этот процесс обычно осуществляется таким же образом, как и в (0.25… 0.3) протекает с небольшими деформациями при температуре Чирок, создавая условия, при которых в структуре металла образуются новые зерна. Стадия начальной рекристаллизации деформированного металла наступает при нагреве выше 0, 3 mm. At при высоких температурах повышается подвижность атомов, образуются новые изотропные зерна. Рис.26.

Рисунок процесса триангуляции Ориентированная волокнистая структура деформированного металла, а не образование новых равноосных зерен, называется первичной рекристаллизацией. В деформированном металле ядро образуется и растет в области высокой плотности дислокаций.

Образуются совершенно новые частицы, отличающиеся по размеру от исходных до деформации. Закалка практически полностью снимается, и свойство приближается к исходному значению. Людмила Фирмаль

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации, называется порогом температуры рекристаллизации. Температурный порог (гр) рекристаллизации равен А. А. зависимость Бочвара связана с температурой плавления металла. Здесь Tm-абсолютная точка плавления. K; a-коэффициент, зависящий от чистоты металла. Для металлов высокой чистоты-0,1… 0,2;для технически чистых металлов а = 0,4, день твердого раствора сплава а-ОД..0.6

Для некоторых металлов температурный порог рекристаллизации выглядит следующим образом: Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов Температура металла Плавления°с рекристаллизация. °С Вольфрам 3100 1200 Молибденовый 2625 900 Железо 1539 450 Медь 1083 200 Алюминий 660 100 Рекристаллизационный отжиг мягкой стали проводят при 600-700°с, а латуни и бронзы при 560-700°С. алюминиевый сплав-350… 450°с, титановый сплав-550… 750°с

Когда первичная перекристаллизация завершается во время дальнейшего подогрева, коллективная перекристаллизация occurs. It состоит в росте новых зерен, которые сформировались. Движущей силой рекристаллизации населения является поверхностная энергия particles. As зерно становится больше, общая длина границы зерен становится короче. Это соответствует переходу металла в равновесное состояние. Характерной особенностью рекристаллизации популяции является то, что рост не происходит в результате связывания нескольких мелких частиц с одной крупной частицей. Частицы с выпуклыми границами(рис. 27).

Атомы на вогнутой поверхности имеют больше соседних атомов, чем атомы на выпуклой поверхности, что приводит к меньшей энергии. s c и I, вызывают образование и неравномерность крупных частиц, что способствует снижению механических свойств металла. РМЭ. 27.Закономерности роста зерна в коллективных реках Размер частиц оказывает большое влияние на свойства металлов、 Рис.23.Влияние температуры (а), периода пары NI(6)и степени деформации © на количество перекристаллизованных зерен Основными факторами, определяющими размер частиц металла при рекристаллизации, облучаемых при рекристаллизации, являются температура, время выдержки при нагреве и степень продуктивной пластической деформации(рис.28).

Размер зерна увеличивается с увеличением температуры нагрева и времени выдержки. При температурах Г и Г2 (выше Гр) образование перекристаллизованных зерен происходит не сразу, а через определенное время XT (называемое инкубацией). Самые крупные частицы образуются после небольшой предварительной деформации, обычно около 3,15%.Такая степень деформации называется критической. Критичностью называют такую минимальную степень деформации, за пределами которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизация.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: