Деформация листового металла при нагреве

Обновлено: 19.09.2024

Процессы, происходящие при горячей деформации стали. Упрочнение, разупочнение. Виды разупрочнения – статическое и динамическое. Влияние условий окончания деформации на структуру и свойства горячедеформированного металла. Зависимость между размером зерна и полученными механическими свойствами. Явления неоднородности и сверхпластичности при горячей деформации. Особенности горячей деформации углеродистых и легированных сталей. Другие виды деформации – теплая деформация, НТМО, ВТМО и др.

МЕХАНИЗМ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

- деформация проходит за несколько проходов (прокатка, ковка, объемная штамповка) – ступенчато:

- деформация осуществляется через определенные промежутки времени;

- температура деформации в каждом последующем проходе ниже;

- во время промежутка между деформациями происходит частичное восстановление структуры;

- окончательная структура формируется при наложении статических и динамических рекристаллизационных процессов.

При деформации в горячем (аустенитном) состоянии происходит:

-увеличение плотности дислокаций (наклеп);

- перестройка и перераспределение дислокаций (разупрочнение).

Наклеп в процессе деформации

Разупрочнение в процессе деформации и после нее Процессы накладываются друг на друга

В первой клети (высокая температура, малые степени деформации)

Упрочнение происходит внутризеренное скольжение дислокаций, двойникование.

Образуется ячеистая структура.

При ε = 25-30 % - неоднородное накопление дислокаций – возможность начала динамической рекристаллизации.

При ε = 35- 50 % при наклепе образуется развитая ячеистая структура.

Разупрочнение происходит путем динамической рекристаллизации (первичной). При этом происходит перемещение большеугловых границ и их рассыпание (коалисценция зерен).

При последующей деформации в рекристаллизованных зернах опять увеличивается плотность дислокаций (наклеп) и в дальнейшем опять происходит разупрочнение.

Динамическая рекристаллизация никогда не приводит к полному разупрочнению, т.к. в структуру вводятся новые дислокации.

После окончания деформации структура субзерна рекристаллизации, -вытянутые в направлении деформации.

Субзерна по разному ориентированы в направлении деформации. Углы разориентировки от 9 до 50 0 .

Возможно прохождение собирательной динамической рекристаллизации.

Это нежелательно т.к. приводит к разнозернистости .

В процессе прохождения заготовки между первой и второй клетями происходят статические возврат и рекристаллизация, (т.к. температура при выходе из первой клети намного больше температуры рекристаллизации).

При малых степенях деформации ε ≈ 10% - статическая полигонизация.

При ε ≈ 20% статическая полигонизация и рекристаллизация.

При ε > 20 % - статическая рекристаллизация (собирательная и первичная).

Во второй клети те же процессы динамического упрочнения и разупрочнения (температура деформации ниже). Процессы происходят медленнее т.е. степень разупрочнения () меньше.

В последующих клетях Т 0 С, (), динамическая рекристаллизация происходит медленнее.

Статическая рекристаллизация зависит от температуры и длительности пауз (от скорости прокатки).

ОСОБЕННОСТИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

Вид деформации	Т 0 С
Холодная	< 0,3-0,5 Тпл
Горячая	>0,3-0,5 Тпл

малые скорости деформирования

I – стадия упрочнения

II – отсутствие упрочнения (σ = const)

1 – 0,5 Тпл; 2 – 0,6 Тпл; 3 – 0,7 Тпл; 4 – 0,8 Тпл.

При высоких температурах подвижность точечных и линейных дефектов высока. Это приводит к разупрочнению в процессе горячей деформации.

1. Динамический возврат

На I этапе упрочнения при малых степенях деформации происходит увеличение количества дислокаций, их перемещение, пересечение друг с другом, что приводит к образованию ячеистой структуры.

При горячей деформации одновременно происходят процессы упрочнения и разупрочнения, что связано с высокими температурами. При малых степенях деформации преимущественно происходят процессы упрочнения (увеличение плотности дислокаций, скопление дислокаций по границам зерен, образование линий поперечного скольжения, порогов и образование ячеистой структуры). В связи с большой подвижностью дислокаций при этом происходит и их частичное уничтожение.

С увеличением температуры и степени деформации – плотность и подвижность дислокаций увеличивается, что приводит к равной скорости генерирования и аннигиляции дислокаций – период устойчивого деформирования.

В зависимости от температуры и степени деформации образование ячеистой структуры происходит по-разному.

I – дислокационные клубки и слаборазвитые ячейки

II – хаотическое распределение дислокаций

III – переходная структура

IV, V – развитая ячеистая структура

V – оптимальные режимы деформации

Т.е. при горячей деформации процессы упрочнения практически всегда сопровождаются процессами разупрочнения, динамическим возвратом и динамической рекристаллизацией.

Взаимодействие процессов упрочнения и разупрочнения зависит:

1. От температуры

2. От степени деформации

3. От скорости деформирования – при малых скоростях деформирования металл успевает полностью разупрочняться, а при больших – частично.

Динамический возврат заключается в образовании субзерен и их росте, рекристаллизации – в возникновении центров рекристаллизации и их дальнейшем росте: первичная, собирательная, вторичная. При горячей деформации также образуется текстура деформации.

Окончательный размер зерна в горячедеформированных металлах зависит от скорости деформации, степени и температуры, температуры окончания деформации.

После окончания деформации до полного охлаждения металла – также протекают рекристаллизационные процессы – статическая рекристаллизация (и в перерывах между операциями деформации).

В условиях деформирования поликристаллического вещества деформация протекает неравномерно в разных зернах, в различных участках зерен и различных участках металла. Отсюда следует различность неоднородности трех видов.

I рода – Субкристаллическая неоднородность – в пределах зерна.

Рассмотрено ранее. Даже при степени деформации в 1% в разном зерне можно обнаружить участки, отличающиеся по степени деформации в 10 раз.

II рода – Микроскопическая неоднородность – определяется взаимодействием зерен.

Рассмотрено ранее. Даже при степени деформации в 20% в структуре можно обнаружить зерна со степенью деформации от 0% до 70%.

При повышении температуры деформации – неоднородность увеличивается.

Обусловлено, кроме рассмотренных ранее факторов, наличием жестких и пластичных фаз (Ф и Ц).

III рода – Макроскопическая неоднородность – определена характером внешнего деформирующего воздействия.

При сжатии образца на 25% по высоте деформация может изменяться от 10% до 50 %.

При каждом виде деформации можно выделить очаг, в котором она локализована

Коэффициент показания деформации:

Ψ, %	К
< 20
20-60
60-90

I фактор - т. о. на разных этапах деформации скорость течения металла неодинакова

II фактор - влияние сил трения между металлом и поверхностью инструмента

На силу трения влияют: температура инструмента, его размер, смазка.

где а – вход металла в валки;

b – выход металла из валков;

l_k – поверхность контакта металла с валками.

2 – поверхность полосы

Неоднородность приводит к возникновению остаточных напряжений I, II, III рода, которые могут приводить к образованию трещин, снижению пластичности и неоднородность упрочнения.

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОКОНЧАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

ВЛИЯНИЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПЕРЕД ДЕФОРМАЦИЕЙ:

При первоначальном нагреве металла выше критических температур, сталь приобретает крупнозернистую аустенитную структуру. В процессе последующей деформации и охлаждения, температура снижается и происходит превращение аустенита в феррито-цементитную смесь, при этом: чем крупнее были зерна аустенита, тем крупнее получается и феррито-цементитные зерна.

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ:

Скорость деформации влияет на процессы структурообразования на всех этапах деформирования.

Чем выше скорость деформации, тем меньше успевают пройти процессы динамического разупрочнения.

Особенно важно это влияние при деформации в последнем и предпоследнем проходах.

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ:

При больших степенях деформации быстрее происходят рекристализационные процессы, следовательно, быстрее металл разупрочняется.

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИЯМИ:

Время выдержки влияет на возможность прохождения статической рекристаллизации.

Чем больше временной интервал между деформациями, тем больше разупрочнение металла.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКОНЧАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ:

При выборе температуры окончания деформации следует обращать внимание на:

1) возможность процессов статической рекристаллизации при последующем охлаждении;

2) образование той или иной структуры при охлаждении (диаграмма Fe – C).

Для доэвтектоидной стали температура окончания деформации находится между А₁ и А₃.

Для эвтектоидной стали – чуть выше А₁.

Для заэвтектоидной стали – между А₁ и А_С_m, но чтобы не образовывалась цементитная сетка (точка 2).

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОСЛЕ ДЕФОРМАЦИИ:

Скорость охлаждения после деформации приводит к образованию феррито-цементитной структуры с разным размером пластинок.

Чем быстрее охлаждение, тем мельче феррито-цементитная структура, следовательно, выше прочность, ниже пластичность.

При сматывании листа в рулоны скорость охлаждения в центре рулона и на поверхности существенно отличается.

Для получения одинаковой температуры и структуры, рулон не сматывают плотно, оставляя воздушный зазор между слоями.

При выборе режима окончания деформации, обращают внимание на процесс окалинообразования. Минимальное количество окалины образуется при температуре 700*С. Поэтому охлаждение до этой температуры проводят более быстро.

Вывод:

1) необходимые технологические параметры деформации зависят от того, какие свойства и структуру мы должны получить;

2) рассматривать влияние технологических параметров на структуру и свойства можно только в комплексе.

При подборе температурно - скоростных условий деформации и охлаждения важно регулировать процесс структурообразования.

Контролируемой – называется прокатка которую проводят в строго определенном режиме для получения мелких, однородных зерен с заданными параметрами структуры (размер зерен, распределение дислокаций)

При этом изменяют:

1) температура нагрева стали;

2) распределение температуры и степени деформации по клетям;

3) величины пауз между клетями и последеформационной выдержке;

4) температура конца прокатки и смотка;

5) скорость охлаждения.

Это приводит к повышению прочности на ≈20%, пластичности и вязкости на ≈30%.

Уравнение Холла- Петча должно быть дополнено:

где К₁ – коэффициент определяет вклад субграниц в развития деформации;

d_c – средний размер субзерен;

Влияние d_c иногда превышает влияние D₃ .

Т.о. свойства стали изменяются только благодаря измельчению зерен и за счет создания полигональной структуры.

Конечный размер D₃ регулируют следующие параметры.

1) температуру нагрева перед прокаткой. Понижение ее уменьшает размер зерна А→ и П (от 1250 до 1050 0 С на 1 балл).

2) степень деформации. Увеличение степени деформации в последних клетях → → ≤ D₃.

Режим контрольной прокатки должен исключать динамическую собирательную рекристаллизацию. Помогает легирование (нитридо и карбонитридообразующих элементов).

Температуры нагрева и конца прокатки должны привести к выделению дисперсных соединений. Подбираются опытным путем Т 0 С кп – 950-850 0 С; общая степень деформации – 50-70%. В конце ускоренное охлаждение.

При одинаковом размере зерна прочность выше у металла с развитой полигональной структурой.

С увеличением ε - d_c меньше, θ – больше (повышается плотность дислокаций). Изменения зависят от температуры. Чем больше температура тем медленнее уменьшается d_c .

Эффект упрочнения за счет создания малоподвижных дислокаций и создания атмосфер Котрелла (динамическое деформационное старение). Максимальное упрочнение при 300 0 С (синеломкость). Температура деформации не должна совпадать.

Деформация металла при сварке

Деформация металла при сварке – это явление, которое приводит к нарушению геометрии изделий и, следовательно, к браку продукции. Подобное может наблюдаться даже в работе опытных сварщиков. Соблюдение ряда правил позволяет снизить вероятность появления деформации и получить качественное и надежное соединение.

Существует множество причин возникновения деформации металла при сварке. О том, с чем они связаны, какие меры принимают для профилактики этого явления и что делают для исправления, читайте в нашем материале.

Причины деформации металла при сварке

Если на металлический предмет оказывается механическое воздействие, то в нем возникают напряжение и искажение. Первое характеризуется силой давления, оказываемой на единицу площади. Второе – нарушением габаритов и формы изделия из-за силового воздействия.

Напряжения появляются в деталях под влиянием практически любого усилия. Это может быть растягивание, изгиб, сжимание или резка. В ходе сварки следует внимательно следить за показателями как деформации, так и напряжения. Если превысить допустимые значения, то конструкция (частично или полностью) может разрушиться.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Сварочные деформации возникают под влиянием различного рода напряжений, появляющихся внутри изделия. Основные причины их появления специалисты объединяют в две большие группы: основные, которые считаются неизбежными и постоянно появляются в ходе сварки, а также сопутствующие, устранение которых вполне возможно.

К основным причинам возникновения деформации и напряжения в ходе сварочных работ относят следующие:

Структурные видоизменения, которые, влияя на металл, вызывают напряжения (растягивающие и сжимающие). Происходит это в ходе охлаждения деталей из легированных или высокоуглеродистых стальных сплавов. При этом размеры изделия, а также зернистая структура материала нарушаются. В итоге изначальный объем изменяется, что приводит к увеличению напряжения внутри детали.
Неравномерный прогрев. Первичному нагреву в ходе сварочных работ подлежит только рабочая зона изделия. По мере увеличения температуры материал расширяется, воздействуя на мало прогретые слои металла. При прерывистом прогреве концентрация напряжений сварного шва достигает высоких значений. Ее показатель зависит от рабочей температуры, теплопроводности материала и уровня линейного расширения.
Литейная усадка. Она происходит в ходе кристаллизации материала, характеризуется уменьшением объема металла, возникает из-за сварочного напряжения (продольного и поперечного), которое появляется в процессе усадки расплава.

Сварочное напряжение могут вызвать не только механические воздействия. Сплавам различных металлов вообще свойственны свои деформации и напряжения. Они делятся на временные и на остаточные. Пластичная деформация металла при сварке вызывает остаточные, не исчезающие и после остывания материала. Временные же возникают при сварке прочно закрепленной детали.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

К побочным или сопутствующим деформациям при проведении сварочных работ можно отнести:

любые отклонения от нормативов в технологическом процессе – примером может быть плохая подготовка детали к сварке, неправильный выбор электрода, нарушение режима сварочного процесса и пр.;
несоответствия и ошибки, допущенные в конструировании изделия, – это могут быть неверно выбранный тип шва, часто расположенные соединения, малый зазор между сварными швами и пр.;
низкий профессионализм и небольшой опыт мастера.

Концентрацию напряжений в сварном шве может вызвать практически любая ошибка. Из-за них возникают технологические дефекты соединения: непровары, трещины, пузыри и прочий брак.

Виды деформаций металла после сварки

Существует несколько видов напряжений. Они отличаются временным интервалом (периодом действия), характером появления и прочими факторами.

Ниже представлена таблица возможных напряжений (какие встречаются и из-за чего появляются в сварном шве).

По причинам возникновения

Неравномерность прогрева, возникающая из-за перепада температуры при сварке

В случае нагрева металла выше максимально установленной температуры происходят изменения в структуре материала

По времени существования

Возникает в ходе фазовых видоизменений, но в процессе остывания уходит

Остается в деталях и после устранения причин возникновения

По задействованной площади

Имеющееся во всей конструкции

Проявляющееся исключительно в зернах структуры металла

Присутствующее в кристаллической решетке материала

По направленности воздействия

Появляется по линии шва

Размещается поперек оси соединения

По состоянию напряжения

Происходит только в одном направлении

Распространяется на два различных направления

Воздействие происходит по трем осям

В ходе сварочного процесса происходят следующие виды деформации:

Местные и общие. При местных деформациях изменениям подвержены только части конструкции. Общие же деформируют изделие полностью и сразу, меняя его размеры и искривляя геометрическую ось.
Временные и конечные. Остаточные (конечные) деформации остаются в изделии даже после его охлаждения, а временные появляются в отдельные моменты времени.
Упругие и пластичные. При восстановлении формы и габаритов изделия по окончании сварки деформация считается упругой. При наличии постоянных дефектов – пластичной.

Материал может быть деформирован вне плоскости сварного изделия или внутри него.

Разнонаправленность сил, действующих относительно сечения материала, приводит к возникновению различных напряжений: сжатия либо изгиба, растяжения, кручения, среза.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке

Швы обязательно проходят тестирование на надежность и прочность соединений. В ходе проверки проверяется также наличие дефектов. Это позволяет быстро обнаружить и устранить возникший в процессе сварки брак.

Существует несколько типов контроля, позволяющих найти изъяны:

разрушающий – процесс, который часто используется на промышленных предприятиях, дает возможность провести проверку физических свойств шва;
неразрушающий – включает внешний осмотр шва, ультразвуковую или магнитную дефектоскопию, капиллярный метод, проверку проницаемости и прочие методы.

Важным в изготовлении сварных конструкций является определение вероятных напряжений и деформаций в ходе работ. Причина заключается в том, что они изменяют форму и размер изделия, снижают его прочность, что приводит к изменениям в эксплуатационных качествах конструкции далеко не в лучшую сторону.

Необходимо проводить тщательный расчет деформаций и напряжений при различных процессах сварки, правильно запланировать последовательность операций для того, чтобы в результате на конструкцию воздействовало минимум напряжений, а количество дефектов стремилось к нулю.

Способы устранения деформации металла при сварке

Убрать деформацию материала, возникшую в ходе сварки, можно с помощью правки. Она бывает холодной механической, термомеханической и термической, включающей как местный, так и общий нагрев. Перед проведением последнего изделие жестко фиксируют в устройстве, оказывающем давление на изменяемые части конструкции. Затем оно размещается в разогревающей печи.

Суть термического метода заключается в сжимании металла при его охлаждении. Происходит процесс разогрева растянутого участка горелкой или дугой. При этом окружающий место разогрева материал должен оставаться холодным, что не дает значительно расшириться горячему участку. Далее при остывании изделия происходит постепенное выпрямление конструкции. Больше всего данный метод подходит для устранения деформаций балок, полос листового материала и пр.

Принцип холодной правки заключается в постоянном воздействии на изделие нагрузок. Для этого используют различные прессы и валки, существующие для прокатки по ним длинных конструкций. Для исправления деформаций растянутых конструкций применяют термическую правку. Сначала происходит сбор лишнего металла, а затем – разогрев проблемного места.

Сложно сказать, какой из методов является предпочтительным. Для каждого вида, места (снаружи или изнутри), особенностей деформации и напряжения, а также габаритов и формы изделия существуют свои способы их устранения. Важным являются трудозатраты и эффективность метода.

Способы избежать деформации металла при сварке

Устранение проблем значительно сложнее их предупреждения. Эта аксиома в равной степени относится и к сварке. Брак всегда приводит к дополнительным финансовым вложениям. Для его предотвращения необходимо сосредоточиться на мерах, помогающих бороться с деформациями и напряжениями.

Отвечая на вопрос о том, как избежать деформации при сварке листового металла или свести ее к минимуму, следует запомнить связь между причинами появления и мерами предупреждения. Следовательно, перед началом работ необходимо все тщательно рассчитать и подготовиться. Только после окончания данного этапа можно будет проводить сварку металлических конструкций.

Сила, приложенная к конструкции, прямо пропорциональна степени ее деформации. Значит, чем большая сила воздействует на изделие, тем значительнее его деформация.

Данные виды разогрева способствуют улучшению качественных характеристик как самого сварного соединения, так и участков, расположенных в непосредственной близости от него. Кроме того, уменьшаются пластические деформации и остаточное напряжение. Этот метод чаще всего используют для сплавов, которые имеют склонность к закалке и появлению кристаллизационных трещин.

При протяженности более 1 000 мм шов разбивается на части длиной от 100 до 150 мм. Новое соединение создается в противоположную от основной сварки сторону. При этом металл разогревается более равномерно, что снижает деформацию. Данный способ не является методом последовательного наложения.

Проковке подлежит и нагретый, и холодный материал. Удар как бы разжимает металл в стороны. Тем самым снижается напряжение растягивания. Данный метод не используется на конструкциях, сделанных из металла, склонного к возникновению в нем закалочных структур.

Суть метода заключается в том, чтобы подобрать порядок, в котором нужно будет делать швы. Новый шов должен обязательно создать деформацию, которая будет противодействовать предыдущему. Этот способ часто применяется при сварке двусторонних соединений.

Сварка предваряется прочным и жестким креплением изделия в кондукторах. После завершения процесса конструкция полностью охлаждается, после чего вынимается из крепежа. Существенным недостатком метода является вероятность возникновения внутреннего напряжения изделия.

Сварка без деформации металла может быть проведена с помощью термической обработки. При этом существенно улучшаются характеристики соединения и окружающего его металла, снижается напряжение внутри изделия и выравнивается структура шва. Отпуск, отжиг (состоящий из низкотемпературного или полного) и нормализация – это операции, составляющие термическую обработку металла.

Нормализация считается оптимальным способом обработки швов изделий, выполненных из низкоуглеродистых сталей.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Деформация металла

Деформация металла происходит под воздействием внешних факторов природного или антропогенного характера. Этот процесс используется в промышленности для придания заготовке необходимых параметров.

Существует несколько видов деформации, которые влияют на конечные изменения в изделии. В нашей статье расскажем, какова природа этого процесса, разберем его виды и применимость в производственных вопросах.

Природа деформации металлов

Деформация предполагает изменение формы и габаритов изделия. Чтобы добиться нужного эффекта, металл можно растянуть, сжать, скрутить, загнуть. Для этих целей используют специальные инструменты и процессы, например, повышение температуры для деформации металла.

К деформации приводит даже небольшое силовое воздействие. Растяжение изделия вызывает увеличение расстояния между атомами, тогда как на фоне сжатия наблюдается обратный процесс.

При обработке металла важно учитывать, что пластическая деформация способна спровоцировать кардинальное изменение характеристик. Она может наблюдаться даже в тех случаях, когда изделие имеет повышенную твердость, но была превышена предельная нагрузка.

Каждый металл обладает своим показателем предела упругости, поэтому при подборе необходимого воздействия учитывают свойства конкретного материала. Наиболее пластичными и лучше всего поддающимися деформации считаются металлы с кубической кристаллической решеткой.

Статичная нагрузка вызывает медленные изменения металла, которые специалисты обозначают как ползучесть. Повышение температуры воздействия приводит к ускоренному протеканию подобных процессов.

Деформация, осуществляемая на фоне высокой температуры, называется горячей деформацией металла. Она применяется при производстве крупных изделий и предполагает полную рекристаллизацию.

Изменить характеристики заготовки позволяет и холодная деформация металла, которая протекает при температуре, не достигающей уровня рекристаллизации. Она способствует повышению прочности материала, однако подходит исключительно для изделий малого сечения, таких как проволока.

Деформация возможна и без специального воздействия – именно в таком виде она распространена в природе. То есть внешний вид, прочность и другие характеристики металла меняются под действием естественных факторов, к которым человек не имеет никакого отношения.

Упругая деформация металлов

При данном виде деформации металла происходит изменение формы, а после прекращения воздействия изделие принимает прежний внешний вид. Такой эффект достигается при приложении силы, не превышающей предел упругости или модуль Юнга. Благодаря данному физическому свойству после снятия нагрузки заготовки из эластичных материалов возвращаются к первоначальным размерам.

Иными словами, упругая деформация металлов является обратимой и непостоянной. Чаще всего она сопровождается малыми изменениями формы, а упругое поведение обычно является линейным.

При упругой деформации происходит временное растяжение, искривление связей между атомами. Так, изгиб листа из стали приводит к тому, что все дислокации и связи в металле изгибаются или растягиваются всего на несколько процентов. При этом манипуляция не вызывает относительного перемещения атомов. Причиной подобной деформации может быть приложение внешних сил сдвига, провоцирующих соответствующее напряжение растяжения или сжатия.

Благодаря упругой деформации все связи в материале восстанавливаются после напряжения. Постепенно данные свойства металла ослабевают, иногда он даже утрачивает пластичность, становится хрупким.

Например, подобные перемены наблюдаются у олова: его пластичность снижается при резких скачках температуры, происходят аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот – в Средневековье такие процессы носили название оловянной чумы. Нередко снижение эластичности объясняется воздействием химических веществ.

Повысить эластичность или пружинистость стали удается за счет увеличения доли углерода. Поэтому рессоры для автомобилей изготавливаются из марок сталей, в которых содержится минимум 0,62–0,7 % данного компонента – этот показатель установлен ГОСТ 14959-2016. Кроме того, добиться необходимой упругости металла позволяет увеличенное содержание в нем марганца и кремния.

Пластическая деформация металла

Данный тип деформации металла объясняется процессами кристаллографической природы, а именно скольжением, двойникованием, межзеренным перемещением. Остановимся на них более подробно:

Процесс скольжения

Под действием касательных напряжений одна часть кристалла смещается относительно другой. Пока изменения наблюдаются в пределах одного кристалла, их обозначают как линейную дислокацию. Когда на поверхности кристалла образуется ступенька размером в один период решетки, значит, изменения начали распространяться по материалу.

В результате повышается напряжение, перемещаются новые атомные плоскости, появляются дополнительные ступеньки единичных сдвигов. Продвижение дислокации не сопровождается разрывом всех межатомных связей в зоне плоскости скольжения – они нарушаются лишь по краю дислокации.

Согласно современной теории:

скольжение распространяется последовательно в плоскости сдвига;
данный процесс деформации металла возникает в месте нарушения решетки – эта область появляется в результате воздействия нагрузки на кристалл.

К свойствам металла относится теоретическая прочность, которая позволяет описать сопротивление пластической деформации. Она зависит от сил связей между атомами в кристаллических решетках, при этом значительно превосходит реальный уровень прочности. Например, железу свойственны:

30 кг/мм – реальная прочность;
1 340 кг/мм – теоретическая прочность.

Столь значительная разница в показателях объясняется тем, что при движении дислокации нарушаются связи только у края, а для этого необходимы меньшие усилия.

Процесс двойникования

В кристалле появляются зоны с закономерно измененной ориентацией структуры. Двойникование приводит к незначительной деформации металла.

Причиной формирования такого образования являются:

зеркальная переориентация структуры материнского кристалла в определенной плоскости;
поворот матрицы на некоторый угол вокруг кристаллографической оси.

Процессы могут происходить в металлах, которые обладают кристаллическими решетками двух типов:

гексагональной – ею характеризуется магний, цинк, титан, кадмий;
объемно-центрированной – присутствует у железа, вольфрама, ванадия, молибдена.

Склонность к двойникованию возрастает с ростом скорости деформации металла и снижением степени нагрева.

У алюминия, меди, как у металлов с кубической гранецентрированной решеткой, такие перемены наблюдаются в результате отжига заготовки, прошедшей стадию пластического деформирования.

Процесс межзеренного перемещения

Подобное изменение структуры проявляется в результате растягивания и запускается в зерне, где направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. В результате зерно растягивается. Находящиеся в непосредственной близости зерна разворачиваются и деформируются, как только направление легкого скольжения в них совмещается с направлением силы.

В итоге после такой деформации структура металла становится волокнистой, а механические характеристики материала определяются вектором воздействия:

пластичность выше в направлении, в котором прикладывалось растягивающее усилие;
прочность заметнее проявляется поперек приложения усилия, а в продольном направлении показатели ниже.

Данную разницу в свойствах, проявившуюся в результате процесса деформации металла, обозначают как анизотропия.

Разрушение металла при деформации

Высокие напряжения являются причиной более активной деформации и даже разрушения металлов. Последний процесс протекает из-за растрескивания материала: зародившаяся трещина распространяется через сечения, вызывая окончательное разрушение.

Причина образования трещины – в сосредоточении дислокаций, находящихся в движении, перед препятствием. Это приводит к тому, что напряжение возрастает до уровня, при котором металл трескается. Когда трещина достигает критического размера, она развивается произвольно.

При хрупком разрушении образуются острые, разветвленные трещины, которые стремительно разрастаются. Процесс протекает моментально, отличается низкой энергоемкостью, а работа распространения трещины оказывается практически на нулевом уровне.

Еще одна причина появления трещин связана с транскристаллитным и хрупким интеркристаллитным разрушением. Тогда трещины распространяются по телу зерна или по границам зерен соответственно.

Хрупкое разрушение приводит к формированию блестящего кристаллического излома, обладающего ручьистым строением. Он имеет плоскость, перпендикулярную нормальным напряжениям. Трещина распространяется в нескольких плоскостях, расположенных параллельно.

Причиной вязкого разрушения является срез, который происходит в результате воздействия касательных напряжений. Данному процессу всегда предшествует значительная пластическая деформация металла.

Тупая раскрывающаяся трещина имеет перед собой обширную пластическую зону и распространяется с малой скоростью. Также ее характеризуют высокие показатели энергоемкости, которые объясняются затратами энергии на формирование поверхностей раздела. Излом получается неровный, матовый, а его плоскость находится под определенным углом.

Отжиг стали

Отжиг стали необходим для изменения свойств сплавов. Сначала изделие нагревают выше критической температуры, а затем медленно охлаждают. Такая операция термообработки позволяет получить однородную структуру, снять внутренние напряжения в металле, снизить твердость.

Температура нагрева зависит от химического состава стали и цели отжига. Время нагрева и остывания зависит от размеров изделия и, соответственно, веса. Для точности операции применяют справочные материалы и расчетные методы. Подробнее о видах отжига стали и особенностях технологии читайте в нашем материале.

Отжиг сталей первого рода

Различные типы отжига первого рода позволяют запускать гомогенизацию, рекристаллизацию, избавляют от остаточных напряжений, понижают степень твердости стали. Условия для конкретного процесса задаются в соответствии с начальным состоянием металла при помощи определенной температуры. Возможен нагрев в пределах или выше показателей, способствующих протеканию фазовых трансформаций.

Назначением отжига стали является достижение следующих результатов:

При отжиге стали горячую заготовку остужают без использования специальных сред, а необходимая степень повышения температуры определяется в соответствии с составом металла и запланированным эффектом.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг

Данный режим отжига создан для легированных сталей и призван уменьшить неоднородность дендритного или внутрикристаллитного характера. Из-за нее при обработке давлением проявляются:

хрупкость на излом;
неравномерность характеристик в различных направлениях;
слоистость излома;
склонность к растрескиванию;
недостаточная пластичность, вязкость.

Диффузионный отжиг стали проходит в несколько этапов:

доведение металла до +1 200 °C, благодаря чему свойства структуры сплава выравниваются по всем направлениям;
выдержка в течение 15–20 часов;
быстрое снижение нагрева до +800…+820 °C и последующее постепенное естественное остывание материала.

Гомогенизация позволяет сформировать крупное зерно – его размеры потом уменьшают под воздействием температуры, давления.

Рекристаллизационный отжиг стали

Данный метод обработки подходит для металлов, деформированных посредством давления без повышения температуры. Такой тип отжига сталей нередко выполняет функцию окончательной или промежуточной стадии между этапами холодного деформирования. Основными процессами здесь считаются возврат и сама рекристаллизация.

Под первым понимают любые перемены в тонкой структуре, при которых не наблюдается изменения микроструктуры сплава, иными словами – сохраняются габариты и форма зерен. Все искажения кристаллической решетки восстанавливают нагревом в пределах +300…+400 °С.

Отжиг для снятия напряжений

Этот подход используют для удаления остаточных напряжений, присутствующих в отливках, сварных, резаных изделиях после неоднородного охлаждения, пластического воздействия. Такие напряжения чреваты изменением размеров, деформацией готовых металлических предметов при хранении, транспортировке, использовании по назначению.

Снятие напряжений при помощи отжига стали предполагает использование такой температуры:

Остаточные напряжения удается снизить посредством рекристаллизационного отжига, во время которого происходят описанные выше фазовые трансформации.

Полный отжиг доэвтектоидной стали

Полный отжиг стали предполагает нагрев выше критической точки А3 или окончания перекристаллизации, далее требуется выдержка на протяжении всех фазовых трансформаций и медленное охлаждение.

Превышение на 30–50 °C температуры А3 приводит к тому, что у стали формируется однофазная аустенитная структура с измельченным зерном, обеспечивающая повышенную вязкость и пластичность сплава. Более значительный нагрев вызывает увеличение размеров аустенитного зерна, из-за чего свойства заготовки оказываются хуже.

Температура и продолжительность выдержки зависят от типа изделий, способа их размещения в печи, высоты садки. Чтобы не допустить окисления и выгорания углерода в структуре стали после полного отжига, работу проводят в условиях защитной атмосферы.

Время остывания устанавливается в соответствии с химическим составом металла: чем большую устойчивость переохлажденного перлита он имеет, тем дольше его остужают. По этой причине после отжига температуру углеродистых сталей снижают на 100–150 °C в час, а легированных – всего на 40–60 °C за тот же отрезок времени.

Процесс остужения ускоряют, когда завершен распад аустенита в ферритной области. Для этого металл допускается содержать при естественных условиях. Если отжиг нацелен на удаление напряжений в изделиях, имеющих сложные формы, то обязательным условием становится их постепенное охлаждение в печи.

При помощи полного отжига обрабатывают сортовой прокат, фасонные отливки, поковки из сталей со средним содержанием углерода.

Изотермический отжиг

Данный подход предполагает нагрев как при полном отжиге, с тем лишь отличием, что потом требуется стремительное охлаждение до температуры, находящейся в диапазоне ниже критической точки А1. Чаще всего речь идет о +660…+680 °C. Далее проводится изотермическая выдержка в течение не более шести часов при достигнутых условиях, чтобы обеспечить распад аустенитной структуры. После чего заготовки оставляют остывать в естественных условиях.

Изотермический подход выгодно отличается от полного отжига стали меньшим временем воздействия, что важно при работе с легированными сплавами. Также он обеспечивает предельно однородную структуру по всему объему изделия. Если металл планируется резать, его отжиг проводят при +930…+950 °C, чтобы упростить дальнейшую обработку и обеспечить небольшое увеличение размеров зерен.

Изотермический отжиг обычно используют для поковок и компактного сортового проката из легированной стали. Метод не подходит для крупных садок массой более 20 тонн, так как условия, при которых протекают превращения, оказываются разными на отдельных участках.

Существует специализированная изотермическая обработка (или патентирование), предназначенная для пружинной стали со средним содержанием углерода (0,6–0,9 %). Этим методом проволоку подготавливают к многостадийному обжатию холодным волочением.

В первую очередь, металл доводят до температуры в +900 °C, обеспечивающей полную аустенизацию структуры. Далее заготовку погружают в соль при +450…+600 °C.

В результате такого отжига стали формируются структуры сорбита или тонкопластинчатого троостита, благодаря чему становятся возможны:

значительные обжатия при протяжке;
защита от обрывов металла во время деформаций без повышения температуры;
высокая прочность изделия после завершения волочения.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей

В процессе неполного отжига сталь нагревают, немного выходя за пределы критической температуры А1. Так достигается лучшая обработка резанием легированных и углеродистых сталей, относящихся к заэвтектоидным, то есть с долей углерода свыше 0,8 %.

Отжиг заэвтектоидных сталей требует проведения следующих этапов:

Нормализационный отжиг

Метод нормализации сочетает в себе особенности закалки и отжига. С его помощью обеспечивается меньшая, чем при закалке, хрупкость, и повышенная твердость, недостижимая другими способами отжига стали. Это делает нормализацию распространенным в сфере машиностроения способом обработки деталей.

Нередко к нормализации переходят после прокатного нагрева. При этом металл нагревают:

до температуры выше А3 на 40–50 °C, если речь идет о доэвтектоидных сталях;
на 40–50 °C выше Аm, если используются заэвтектоидные марки металла.

Далее фазовые превращения завершаются краткосрочной выдержкой, после чего переходят к охлаждению на воздухе.

При нормализации происходит полная перекристаллизация, измельчение структуры, сформировавшейся в ходе литья, ковки, прокатки, штамповки. При работе с низкоуглеродистыми сталями отдают предпочтение данному методу, а не отжигу, чтобы задать металлу повышенную твердость, качество поверхности, увеличить производительность при резании.

Для ряда легированных марок нормализация с остужением на воздухе выполняет функцию закалки. В рамках этого способа обработки сортовой горячекатаный прокат нагревают высокочастотными токами.

Отжиг на зернистый перлит

Важной характеристикой заэвтектоидных инструментальных сталей с высоким содержанием углерода и структурой пластинчатого перлита является трудная обработка резанием. По этой причине их, как и стали с добавлением легирующих веществ, отжигают на зернистый перлит.

Добиться необходимых свойств стали после отжига и образования зернистого перлита невозможно без точного соблюдения температурного режима: при слишком медленном снижении степени нагрева зерна оказываются крупными, могут встречаться отдельные пластинки перлита, тогда как быстрое охлаждение задает структуру мелкозернистого или точечного перлита.

Дефекты и брак при отжиге и нормализации

После отжига стали и ее нормализации могут появляться дефекты, подлежащие и неподлежащие исправлению. Чаще всего приходится встречаться с такими проблемами:

Окисление

Сталь взаимодействует с печными газами, пока находится в пламенных или электрических печах, из-за чего окисляется, на заготовках появляется окалина. Увеличение температуры, времени выдержки приводит к резкому возрастанию степени окисления. В результате металл угорает, геометрия изделий меняется, сплав приобретает неровную поверхность под окалиной, затрудняется его резание. Избавиться от окалины можно травлением в серной кислоте или при помощи дробеструйных установок.

Обезуглероживание

Это выгорание углерода с поверхности металла при его окислении, которое негативно отражается на прочности конструкционной стали. Изделия с обезуглероженной поверхностью подвержены закалочному растрескиванию, короблению. Ярче всего данный дефект проявляется при отжиге стали в электрических печах.

Избежать подобного изменения свойств металла во время отжига, нормализации и закалки удается благодаря использованию неокисляющих или контролируемых атмосфер. То есть в рабочее пространство печи вводят защитные газы. Контролируемые атмосферы делятся по химическому составу на нейтральные, восстановительные и науглероживающие.

Универсальной и эффективной газовой средой считается эндотермическая, так как подходит для большинства термических и химико-термических операций. Ее создают посредством переработки природного газа в эндотермических генераторах, задавая 20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2. Немаловажно, что состав можно регулировать по точке росы.

Перегрев

Пережог

Иногда, чтобы задать стали определенные технологические характеристики, хватает неполного отжига. Могут применяться сложные режимы, требующие больших временных затрат, – их подбирают в соответствии со свойствами металла. На полный отжиг стали может уйти свыше суток, если речь идет о крупных заготовках, причем подавляющая часть времени приходится на нагрев и медленное охлаждение по всем нормам.

Подробная информация об отжиге стали содержится в специальной литературе. При некоторых операциях необходимо соблюдать временной и температурный режим с точностью до минут и градусов. Выполнить обработку качественно получится только в муфельной печи, в противном случае будет сложно точно провести отдельные этапы, отталкиваясь в своих действиях лишь от цвета горячего сплава.

Свойства и качества металла зависят в первую очередь от его структуры, для изменения которой прибегают к термической обработке. Узнать о тонкостях, основных методах термического воздействия на сталь и другие материалы, целях их применения можно, углубившись в основы технологии металлов. Предметом этой науки являются приемы и способы создания, обработки металлических материалов.

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.

Читайте также: