Изменение строения и свойств наклепанного металла при нагреве

Обновлено: 04.10.2024

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. В металле возникают внутренние напряжения. Деформирование металла сопровождается его упрочнением, или так называемым наклепом. 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. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 – 400°С) снимает искажения решетки (рис. 3.7, б), а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д.

Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность металла несколько понижаются (на 20 – 30 % по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация (рис. 3.7, в). Рекристаллизация, т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: 0,2 Т_пл.

После того, как рекристаллизация (I стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними (такими же, как и до деформации).

Рис. 3.7. Изменение строения нагартованного металла при нагреве:

а – исходная структура; б – возврат (отдых); в – рекристаллизация (I стадия);

г – рекристаллизация (II стадия); д –структура после рекристаллизации

Температура рекристаллизации имеет большое 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.

В соответствии с описанными процессами изменения строения наклепанного металла при его нагреве следует ожидать и соответствующего изменения его свойств. 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. Аналогично изменению твердости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести). Низкая температура нагрева и происходящий при ней возврат несколько повышают пластичность металла, но лишь рекристаллизация восстанавливает его исходную (до наклепа) пластичность.

При нагреве наклепанного металла изменяется его структура. Например, в исходной структура нагартованной латуни можно увидеть вытянутые зерна с большим числом сдвигов. Невысокий нагрев, вызывающий небольшое снижение твердости вследствие возврата, существенно не изменяет микроструктуры. 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) первичную рекристаллизацию, или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

2) вторичную, или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающую при более высокой температуре.

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 происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, но вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной рекристаллизации, заключающийся в росте зерна. 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 рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный – состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров;

3) слияние зерен – состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное.

Превращения в наклепанном металле при нагреве. Изменения его структуры и свойств

Наклепанный металл термодинамически неустойчив, стремится возвратиться в первоначальное, равновесное состояние, восстановить свою структуру и свойства. При низких температурах (не более 0,1 Тпл) этот процесс затруднен и наклепанное состояние может сохраняться довольно долго.

При нагреве пластически деформированного металла сообщаемая ему тепловая энергия повышает амплитуду колебаний атомов, вследствие чего повышается их диффузионная подвижность. При невысоком нагреве (0, 2 - 0,3 Тпл) за счет активизации процессов самодиффузии происходит перераспределение точечных и линейных дефектов в каждом зерне. Часть из них перемещается на границы зерна, часть аннигилирует, а часть перестраивается, образуя дислокационные стенки, т. е. границы субзерен. Уменьшение общей плотности дефектов строения, снижение внутренних напряжений сопровождается незначительным (на 10 - 15% от наклепанного) снижением прочностных свойств при одновременном повышении пластичности. Заметных изменений микроструктуры при таком нагреве не происходит (рис. 14. 3).

При более высоком нагреве (0,3 - 0,4 Тпл) поисходит резкое изменение микроструктуры и механических свойств. На базе вытянутых в направлении деформирования зерен (волокон) зарождаются и вырастают новые равноосные зерна с меньшим количеством дефектов. Это явление носит название рекристаллизации. Размер рекристаллизованных зерен значительно зависит от степени предшествующей пластической деформации. Как видно на рис. 14.4, он может оказаться больше или меньше первоначального. Объясняется это явление тем, что при малых (5 - 15%) деформациях возникает мало зародышей рекристаллизации и зерна вырастают очень крупными. Такую степень деформации называют критической (ε_кр). При дальнейшем увеличении степени деформации размер рекристаллизованных зерен уменьшается. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Мелкозернистый металл обладает повышенной прочностью и вязкостью (стойкостью к удару). Если степень деформации очень мала (меньше ε_кр), малы искажения решетки, исходные границы между зернами не разрушены и рекристаллизации не происходит.

Во время рекристаллизации происходит снижение плотности дислокации до первоначального (10 6 - 11 8 см -2 ) уровня и высвобождается накопленная в процессе холодной пластической деформации энергия. Наклеп практически полностью снимается, и пластичность металла восстанавливается (рис. 13.3). Наименьшую температуру начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Для технически чистых металлов она составляет около 0, 4 Тпл, для очень чистых металлов до 0,1 - 0, 2 Тпл, а для сплавов возрастает до 0, 5 - 0, 6 Тпл. Чтобы обеспечить полноту снятия наклепа и высокую скорость процесса рекристаллизации, деформированный металл нагревают на 150 - 200 градусов выше порога рекристаллизации.

Если пластическую деформацию проводить выше порога рекристаллизации, то процессы наклепа и рекристаллизация будут протекать одновременно, в результате чего в деформированном металле остаточного наклепа может не быть. Такую деформацию называют горячей.

Рис. 14.3. Схема изменения свойств и структуры наклепанного металла при нагреве:

I - возврат; П - первичная рекристаллизация;

Ш - собирательная рекристаллизация; IV - вторичная рекристаллизация;

а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г - собирательн ая рекристаллизация; д - вторичная рекристаллизация д - вторичная рекристаллизация

Рис. 14. 4. Влияние степени холодной деформаций на величину зерна при рекристаллизации:

α₀ - размер исходного зерна

Во время длительной выдержки при температуре выше порога рекристаллизации будет происходить рост одних рекристаллизо-анных зерен за счет других. Это явление носит название собирательной рекристаллизации (рис. 13. 3, г), а его движущей силой является стремление металла как термодинамической системы, к снижению уровня зернограничной энергии. Крупнозернистый металл имеет меньшую суммарную поверхность границ, чем мелкозернистый, поэтому и уровень свободной энергии у него меньше.

15.Изменение структуры и свойств при нагреве деформированного металла

Состояние наклепанного металла является неравновесным, и, в связи с этим, термодинамически неустойчиво. При нагреве деформированного металла происходит его переход в более стабильное состояние, так как при повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов, создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества. Процессы, происходящие при нагреве, проходят последовательно несколько стадий, их подразделяют на возврат и рекристаллизацию.

При нагреве до Т=(0,2…0,3)Т_пл начинается процесс возврата, который заключается в повышении структурного совершенства наклепанного металла без заметных изменений структуры и свойств.

При дальнейшем повышении температуры диффузионная подвижность атомов возрастает, что приводит к изменениям в микроструктуре – зарождению новых равноосных зерен. Образование новой структуры из равноосных зерен взамен вытянутых зерен деформированного металла называется рекристаллизацией. Температура, при которой появляются первые равноосные зерна, называется температурой начала рекристаллизации. При этой температуре отмечается начало изменения механических свойств: прочность и твердость металла уменьшаются, а характеристики пластичности повышаются.

Горячая и холодная деформация

Горячая и холодная деформация различаются в зависимости от соотношения температуры деформации и температуры начала рекристаллизации.

Холодная деформация – это деформация, которая проводится при температуре ниже температуры начала рекристаллизации (t_дефн.р. ). Холодная деформация сопровождается наклепом металла.

Горячая деформация – это деформация, которая проводится при температуре выше температуры начала рекристаллизации (t_деф>t_н.р. ). При горячей обработке давлением упрочнение в процессе деформации непрерывно чередуется с рекристаллизационными процессами разупрочнения при температуре обработки или при охлаждении. В результате формируется полностью рекристаллизованная структура.

16. Основные типы фаз в металлических сплавах. Твердые растворы, химические соединения, промежуточные фазы.

Отдельные однородные части сплавов, отделенные от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и свойства меняются скачком, называются фазами.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения, химическое соединения, чистые компоненты (графит).

Твердыми растворами называют фазы, в которые один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

При образовании твердого раствора замещения атомов растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Замещаться могут любые атомы.

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений:

Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы располагаются упорядоченно. Химические соединения имеют сплошную кристаллическую решетку.

В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет их выразить формулой: А_nB_m, А и В-компоненты; n и m - простые числа.

Свойства соединения редко отличаются от свойств образующих его компонентов.

Температура плавления (диссоциации) постоянная.

Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Помимо твердых растворов в сплавах имеют место промежуточные фазы, которые могут быть образованы только металлами (интерметаллидные фазы), а также металлами с неметаллами. Особенностью промежуточных фаз является то, что они не сохраняют кристаллическую решетку металла растворителя, а имеют свою собственную решетку. На диаграммах состояния они занимают области, которые не примыкают к ординатам, отвечающим положению чистых компонентов. Существует большое количество промежуточных фаз, отличающихся химическим составом, строением и оказывающих значительное влияние на механические и технологические свойства сплавов. Различают интерметаллидные фазы, к ним относятся фаза внедрения, σ-фазы, фазы Лавеса.

Фаза внедрения-интерметаллидная, образуемая переходными Ме с элементами, имеющими малый атомный радиус, при этом атомы меньших размеров внедрены между атомами решетки растворителя. Имеют переменный состав, как твердые растворы. Обладают высокой Т_пл, их наличие в Ме позволяет создавать жаростойкие и жаропрочные соединения.

σ-фаза относится к интерметаллидным фазам. Условием ее образования является относительная близость атомных размеров составляющих компонентов, σ -фаза имеет сложную тетрагональную решетку, элементарная ячейка содержит 30 атомов. Фаза характеризуется повышенной твердостью и хрупкостью, и ее присутствие в сплаве усиливает опасность хрупкого разрушения.

Фазы Лавеса также являются интерметаллидными фазами типа АВ₂. Основными факторами их образования являются соотношения атомных размеров компонентов и электронная концентрация. Они повышают прочностные характеристики и сопротивление ползучести. Присутствие в сталях и сплавах интерметаллидных фаз Лавеса (Fe₂Al, Zr₂Al, Co₂Ti, Ni₂Ta) часто сопровождается охрупчиванием при комнатной температуре, но менее опасно при повышенных температурах.

3.2. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Состояние наклепанного металла является неравновесным, и, в связи с этим, термодинамически неустойчиво. При нагреве деформированного металла происходит его переход в более стабильное состояние, при повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов, создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

Процессы, происходящие при нагреве, проходят последовательно несколько стадий, их подразделяют на возврат и рекристаллизацию. Температурные интервалы этих процессов индивидуальны для каждого металла и определяются в зависимости от температуры плавления (Т_пл).

При нагреве наклепанного металла до Т=(0,2–0,3)Т_пл начинается процесс возврата, который заключается в повышении структурного совершенства кристалла без заметных изменений микроструктуры и свойств.

Первая стадия возврата - отдых металла. При нагреве до температуры 0,2Т_пл активизируются диффузионные процессы. В связи с этим происходит уменьшение числа точечных дефектов за счет их поглощения дислокациями и стока к границам зерен, а также частичное снятие внутренних напряжений.

Вторая стадия возврата – полигонизация, т.е. фрагментация зерен на полигоны (субзерна) с малоугловыми границами. Процесс полигонизации имеет дислокационный механизм. В результате деформации металла дислокации в зерне оказываются расположенными неупорядоченно (рис. 23 а). При нагреве до температуры (0,25-0,3)Т_пл дислокации становятся подвижными: взаимодействуя, дислокации различных знаков аннигилируют, а избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стенки, образуя границы субзерен (рис. 23 б).

Рис. 23. Схема процесса полигонизации, а – распределение дислокаций после деформации, б – распределение дислокаций после полигонизации и образование субзерен

3.2.2. Рекристаллизация

Температура начала рекристаллизации

При дальнейшем повышении температуры диффузионная подвижность атомов возрастает, что приводит к изменениям в микроструктуре – зарождению новых равноосных зерен. Образование новой структуры из равноосных зерен взамен вытянутых зерен деформированного металла называется рекристаллизацией. Температура, при которой появляются первые равноосные зерна, называется температурой начала рекристаллизации (рис. 24). При этой температуре отмечается начало изменения механических свойств: прочность и твердость металла уменьшаются, а характеристики пластичности повышаются.

Температура начала рекристаллизации конкретного металла или сплава зависит от его температуры плавления:

Т_н.р.=Т_пл, (9)

где  - коэффициент, зависящий от состава сплава и степени его чистоты.

Для технически чистых металлов =0,4, для сплавов со структурой твердых растворов =0,5-0,6. Уменьшение количества примесей в металле понижает коэффициент  до 0,1-0,2, а наличие большого количества легирующих элементов увеличивает значение  до 0,7-0,8.

Температура начала рекристаллизации тем выше, чем меньше степень пластической деформации, меньше длительность нагрева и чем больше величина зерна до деформации.

Рис. 24. Изменение структуры и свойств деформационно-упрочненного металла при нагреве

Изменение структуры и свойств металла при рекристаллизации

При нагреве выше температуры начала рекристаллизации происходят структурные изменения, соответствующие стадиям рекристаллизации.

Первичная рекристаллизация начинается с образования мелких равноосных зерен при Т_н.р_.. При повышении температуры количество новых зерен увеличивается, а их размер практически не меняется, так как скорость зарождения зерен выше скорости их роста. Первичная рекристаллизация заканчивается полной заменой волокнистой структуры деформированного металла новыми равноосными зернами. Такие изменения в структуре сопровождаются снижением прочности и повышением пластичности металла (рис. 24).

Собирательная рекристаллизация – это процесс роста рекристаллизованных зерен при дальнейшем нагреве (рис. 24). Этот процесс происходит путем поглощения мелких зерен более крупными. Движущая сила этого процесса – стремление к снижению энергии границ зерен путем уменьшения их протяженности. В результате собирательной рекристаллизации наклеп практически полностью снимается: характеристики прочности снижаются, а показатели пластичности возрастают, приближаясь к исходным значениям до пластической деформации. Разупрочнение объясняется снятием искажений кристаллической решетки и уменьшением плотности дислокаций (до 10 6 -10 8 см -2 ).

Вторичная рекристаллизация может происходить, если какие-либо из новых зерен имеют предпочтительные условия для роста. В результате в структуре наблюдается разнозернистость – наряду с множеством мелких зерен образуется небольшое количество очень крупных зерен. Такая структура неблагоприятно влияет на механические свойство металла.

Уровень механических свойств рекристаллизованного металла зависит от размера его зерна. Чем мельче зерно, тем большей прочностью и пластичностью обладает металл. При слишком высоких температурах нагрева происходит сильный рост зерна (перегрев), что сопровождается уменьшением характеристик пластичности (рис. 24).

Влияние различных факторов на размер рекристаллизованного зерна

При нагреве деформированного металла не происходит восстановления «старых» зерен, которые существовали в структуре металла до деформации, а появляется совершенно новое зерно, размер которого может существенно отличаться от исходного. Размер рекристаллизованного зерна зависит от:

продолжительности рекристаллизационного отжига;

степени предварительной пластической деформации.

При данной степени пластической деформации повышение температуры и увеличение продолжительности рекристаллизационного отжига приводит к увеличению размера зерна (рис. 25 а,б).

Рис. 25. Влияние температуры (а), продолжительности отжига (б) и степени деформации (в) на размер рекристаллизованного зерна

Величина рекристаллизованного зерна тем меньше, чем больше степень пластической деформации (рис. 25 в). При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. Минимальная степень деформации, выше которой при нагреве возможны рекристаллизационные процессы, называется критической, ее величина составляет 3-15%. При степени пластической деформации чуть выше критической величина зерна после рекристаллизации резко возрастает и может во много раз превосходить величину исходного зерна. Критическая степень деформации тем меньше, чем выше температура рекристаллизационного отжига.

Горячая и холодная деформация различаются в зависимости от соотношения температуры деформации и температуры начала рекристаллизации. Холодная деформация – это деформация, которая проводится при температуре ниже температуры начала рекристаллизации (t_дефt_н.р.). Холодная деформация сопровождается наклепом металла.

Горячая деформация – это деформация, которая проводится при температуре выше температуры начала рекристаллизации (t_деф>t_н.р_.). При горячей обработке давлением упрочнение в процессе деформации непрерывно чередуется с рекристаллизационными процессами разупрочнения при температуре обработки или при охлаждении. В результате формируется полностью рекристаллизованная структура.

3.4.2. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы)

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. В металле возникают внутренние напряжения. Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом. 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. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 – 400 °С) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д..

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.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация, т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: 0,2 Т_пл.

После того, как рекристаллизация (I стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними, которые он имел до деформации. Схема процессов, происходящих при нагреве наклепанного металла, представлена на рис. 3.17.

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.

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

При нагреве наклепанного металла изменяется его структура (рис. 3.18). В исходной структура нагартованной латуни (рис. 3.18, а) видны вытянутые зерна с большим числом сдвигов. Невысокий нагрев, вызывающий небольшое снижение твердости вследствие возврата, существенно не изменяет микроструктуры (рис. 3.18, 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.

2) вторичную, или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающая при более высокой температуре.

Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

2) миграционный – состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров (рис. 3.19);

Читайте также: