Каким образом можно снять наклеп холоднодеформированного металла
Обновлено: 11.05.2024
Для полного снятия наклепа необходим нагрев до более высокой, чем при отдыхе, температуры. В таком случае в металле происходит процесс рекристаллизации), состоящий в восстановлении исходных свойств наклепанного металла. [2]
Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. [4]
Для полного снятия наклепа металлы нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. [5]
Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. [7]
В сталях полное снятие наклепа при рекристаллизации должно проявляться в образовании более или менее размельченных зерен с нормальной ( неискаженной) кристаллической решеткой, и при этой структуре свойства стали должны отвечать состоянию исходной ( недеформированной) стали. [8]
Таким образом, в сталях полное снятие наклепа при рекристаллизации должно проявляться в образовании более или менее размельченных зерен феррита с нормальной ( неискаженной) кристаллической решеткой, и при этой структуре свойства стали должны отвечать состоянию исходной ( недеформированной) стали. [9]
Это позволяет в первом приближении определить температуру начала первичной рекристаллизации для свинца - 33 С, а для меди - 270 С Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. [10]
Для термически упрочняемых сплавов типа дуралюмин существует три типа отжига: 1) отжиг-возврат для частичного снятия наклепа, 2) рекристаллизационный отжиг для полного снятия наклепа предварительно деформированных полуфабрикатов , 3) отжиг полуфабрикатов, предварительно упрочненных термической обработкой - закалкой и старением. [11]
Наклеп в металлах уничтожается при достижении некоторой температуры - порога рекристаллизации - и заключается в восстановлении зерен с нормальной укладкой частиц в решетке и уничтожении напряжений и прочих последствий наклепа. Например, в сталях полное снятие наклепа при рекристаллизации должно проявляться в образовании размельченных зерен феррита с нормальной ( неискаженной) кристаллической решеткой и при этой структуре свойства стали должны отвечать состоянию исходной недеформированной стали. Для низкоуглеродистых сталей температура рекристаллизации равна 450 С. [12]
У различных марок жаропрочных сплавов температурный порог, при котором происходит релаксация остаточных напряжений и снижение твердости, различен. Например, у сплава ХН77ТЮ полное снятие наклепа не наблюдается даже при 900 С. Обычно чем выше жаропрочность сплава, тем выше эта температура. [13]
Она технологична: хорошо деформируется, обладает высокими литейными свойствами, легко обрабатывается резанием, хорошо паяется и сваривается точечной и дуговой сваркой. При холодном деформировании латунь упрочняется. Для полного снятия наклепа применяют отжиг при 500 - 600 С. Наклепанная латунь склонна к образованию трещин, так называемому сезонному растрескиванию, обусловленному коррозионным воздействием среды. Низкий отжиг при 300 С, не изменяя существенно прочности латуни, уменьшает или полностью снимает внутренние напряжения и устраняет склонность к сезонному растрескиванию. При сухом трении латунь быстро изнашивается. [14]
Технологический фактор связан с влиянием наклепа и остаточных напряжений от механической обработки. Влияние этого фактора исключается при изготовлении образцов с, большим числом проходов при резании и постепенным уменьшением глубины ре-вания и подачи. При этом толщина наклепанного слоя и остаточные напряжения получаются минимальными и не влияют существенно на сопротивление усталости, В ряде исследований проводили отжиг образцов в вакууме для полного снятия наклепа и остаточныя напряжений. После исключения влияния металлургического и технологического факторов существенное снижение пределов выносливости связано со статистическим фактором и хорошо описывается количественно и качественно уравнениями, вытекающими из статистической теории подобия усталостного разрушения. [15]
Наклеп и рекристаллизация
Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.
Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.
Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций r. По мере увеличения плотности дислокаций r сопротивление пластическому деформированию уменьшается (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций
Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций rкр, когда начинается взаимодействие силовых полей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.
Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформированию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислокаций до очень малого значения.
Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σВ, σ0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, КСU) уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристаллической структуры, которые затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.
Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обработка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.
Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плотности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к увеличению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.
Второй способ – создание металлов и сплавов с бездефектной структурой – является более прогрессивным. В настоящее время получают кристаллы небольших размеров (длиной 2–10 мм и толщиной 0,5–2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.
Рис. 3.9. Текстура, возникающая при пластической деформации: а) исходная структура, б) текстура при растяжении, в) текстура при сжатии, г) текстура при сдвиге
При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в направлении деформации, образуется так называемая текстура (textura – ткань, связь, строение) – анизотропная поликристаллическая или аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориентировкой. Текстуры могут быть осевыми – с предпочтительной ориентировкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими – с ориентировкой относительно особой плоскости и полными – при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 3.9). Текстура создает анизотропию свойств.
Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения металла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве наклепанного металла в нем протекают следующие процессы:
· частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между собой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата);
· уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противоположных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свободных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации);
· зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристаллизации).
Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами (первичная рекристаллизация), в результате чего полностью снимается наклеп, созданный при пластическом деформировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения (рис. 3.10). Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 10 10 –10 12 до
10 6 –10 8 см -2 .
Рис. 3.10. Изменение прочности, пластичности и зернистого строения
в процессе нагрева деформированного металла
При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повышением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным – процесс вторичной (собирательной) рекристаллизации.
Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного металла и восстановление его пластичности, называют температурным порогом рекристаллизации ТПР.
Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллизации снижается с повышением степени деформации, увеличением длительности нагрева или уменьшением величины зерна до деформации.
Температура начала рекристаллизации ТПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4ТПЛ, для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)ТПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5–0,6)ТПЛ.
Возврат и рекристаллизация деформированных металлов
Под воздействием пластической деформации резко возрастает плотность дефектов структуры (точеных и линейных), кристаллическая решётка металла искажается, возникают внутренние напряжения, зёрна материала вытягиваются в направлении деформации. Материал с такой структурой имеет повышенную свободную энергию и поэтому его состояние оказывается неравновесным. При длительной выдержке, металл стремится к более устойчивому, равновесному состоянию. Этот процесс ускоряется (активизируется) с повышением температуры.
Переход деформированного металла при нагреве в более устойчивое состояние называют возвратом. Температура возврата - T < 0,3Тплавления. Например, для стали она меньше 400 0 С. При возврате уменьшается плотность дефектов за счёт их аннигиляции и уничтожения на стоках. Частично снимаются внутренние напряжения и искажения кристаллической решётки. Материал переходит в более устойчивое, равновесное состояние, хотя видимых изменений в структуре пока не наблюдается, то есть зёрна по-прежнему остаются вытянутыми. Твёрдость и прочность материала при возврате несколько уменьшаются, а пластичность увеличивается. Таким образом, возврат только частично снимает наклёп.
При нагреве деформированного металла до более высоких температур наблюдается процесс рекристаллизации (перекристаллизации). На месте вытянутых зёрен образуются новые, округлые зёрна. Процесс рекристаллизации идёт в два этапа: первичная рекристаллизация и собирательная рекристаллизация. На первом этапе на границах вытянутых зёрен появляются зародыши новых кристаллов, которые растут за счёт поглощения вытянутых зёрен и вырастают округлыми. Собирательная рекристаллизация наблюдается при более высоких температурах. На этом этапе происходит укрупнение новых зёрен путём их объединения. Размер зерна после рекристаллизации зависит от степени деформации металла, температуры его нагрева и других факторов. Чем меньше степень деформации и выше температура нагрева, тем крупнее зёрна и наоборот, чем больше степень деформации и меньше температура, тем мельче зёрна. У материала с мелкозернистой структурой механические свойства лучше.
Температура рекристаллизации связана с температурой плавления материала: Tp = а Тпл. Для сплавов a находится в пределах от 0,5 до 0,6; для технически чистых металлов - от 0,3 до 0,4. Чем чище металл, тем меньше коэффициент a вплоть до 0,1. У олова и свинца комнатная температура является температурой рекристаллизации.
В процессе рекристаллизации полностью снимаются искажения кристаллической решетки и избыточные внутренние напряжения. Плотность дефектов резко уменьшается и достигает своего исходного значения (до деформации). Микроструктура материала также возвращается к исходному состоянию. Твёрдость и прочность металла уменьшаются, а пластичность увеличивается и достигает своего исходного значения. Таким образом, рекристаллизация полностью снимает наклёп.
В зависимости от температуры, при которой осуществляется деформация материала, различают деформацию холодную и горячую. Холодная деформация осуществляется при температурах ниже температур рекристаллизации. При этом развивается наклёп, и степень деформации оказывается ограниченной. Горячая деформация осуществляется при температурах рекристаллизации. При этом процесс рекристаллизации опережает процесс развития наклепа, и степень деформации металла может быть значительно больше. У некоторых металлов комнатная температура является температурой горячего деформирования.
Влияние холодной пластической дефориации и последующего отжига на структуру и свойства металлов
Вопросы по теории на тему «Влияние холодной пластической дефориации и последующего отжига на структуру и свойства металлов» по предмету Материаловедение в МГТУ им. Баумана.
1. Опишите механизм пластической деформации металлов и сплавов.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. В отличии от упругих деформаций, пластические не исчезают после окончания действия приложенных сил. В основе пластических деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.
При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов на пряжений.
2. Объясните, что такое наклеп и чем он вызывается. Нарисуйте и поясните зависимость прочности металла от плотности дефектов.
Металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называют наклепом.
В основе упрочнения металла при деформировании лежит прежде всего повышение плотности дислокаций.
Зависимость прочности металла от плотности дефектов.
Прочность металла зависит от плотности дефектов. Металлы интенсивно наклёпываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления.
3. Опишите характер изменения микроструктуры металла в процессе пластической деформации и приведите график изменения его основных свойств в зависимости от степени деформации.
С ростом деформации различия между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом.
4. Объясните на примере пластической деформации, почему прочностные свойства и пластичность металла имеют противоположный характер изменения.
При деформировании увеличиваются прочностные характеристики и понижаются пластичность и вязкость. С ростом деформации различия между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом. Прочность становится выше, а пластичность уменьшается.
5. Опишите структурные изменения, протекающие в деформированном металле при его нагреве. Явление возврата и его стадии. Отличительные особенности процессов первичной и собирательной рекристаллизации.
При нагреве происходит переход металла в более стабильное состояние. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их ко личества.
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 (ниже 0,3 Тпл), рекристаллизация — при более высоких.
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются. Возврат подразделяют на две 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 уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; уменьшаются остаточные напряжения, удельное электрическое сопротивление и повышается плотность металла. В общем, твердость и прочность уменьшаются и соответственно увеличивается пластичность.
Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций. Приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности.
Первичная рекристаллизация 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. Собирательная рекристаллизация происходит при увеличении выдержки или температуры и заключается в самопроизвольном росте одних зерен за счет соседних путем их перемещения через границу раздела.
6. Нарисуйте график изменения основных свойств холоднодеформированного металла при нагреве и поясните характер влияния температуры.
Схемы изменения твердости (а) и пластичности (б) наклепанного металла при нагреве: I — возврат; II — первичная рекристаллизация; III — рост зерна
С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения.
7. Объясните, как определяется и от каких факторов зависит температура начала рекристаллизации деформированного металла? Как выбрать температуру рекристаллизационного отжига?
Характер структуры, объемные соотношения между фазами, размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами определяют температуры рекристаллизации и время для завершения первичной рекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.
Температуру рекристализации определяют по формуле: Трек = α·Тпл
Значение коэффициента α зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты α = 0,3 — 0,4 и понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей может понизить α до 0,1 — 0,2. Для твердых растворов α = 0,5 — 0,6, а при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 — 0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 450 °С.
8. Поясните, в чем особенность критической степени деформации и каковы ее характерные величины? Приведите график изменения размера зерна металла, формирующегося при рекристаллизации, в зависимости от степени предшествующей деформации.
Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2-8 %); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди — к 5%.
Зависимость размера зерна D рекристаллизованного металла от деформации
С ростом степени деформации размер зерна уменьшается, т.к. увеличивается число дефектов, что приводит к образованию большего количества центров для роста новых зерен.
9. Дайте определение холодной и горячей пластической деформации металлов. В чем принципиальное отличие этих видов деформации? Укажите основные области их применения в инженерной практике.
Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклёпывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью.
Горячую деформацию применяют при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов. Холодная деформация позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности деталей.
10. Каким образом можно снять наклеп холоднодеформированного металла и восстановить его пластичность?
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл при обретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.
11. Пользуясь справочными данными, определите для выбранного металла следующие показатели:
• температуру рекристаллизации, °С; (Трек = α·Тпл в кельвинах)
• температуру рекристаллизационного отжига, °С;
• если этот металл деформировать при заданной температуре t, окажется деформация холодной или горячей? Будет ли деформация сопровождаться наклепом?
Рекристаллизации на структуру и свойства стали
Цель работы: изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; изучить влияние температуры нагрева на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.
Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомеры, штангенциркуль.
Пластическая деформация и рекристаллизация.Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, а следовательно, и изменение свойств металла.
Явления, возникающие в металле при пластической деформации, многообразны. Условно их можно разделить на три группы:
а) изменение формы и размеров кристаллов (зерен);
б) изменение их кристаллографической пространственной ориенти- ровки;
в) изменение тонкого внутреннего строения каждого кристалла.
Пластическая деформация осуществляется путем скольжения (сдвига) или двойникования. Скольжение (сдвиг) состоит в перемещении одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям и направлениям. Двойникование осуществляется путем поворота некоторого объема кристалла на определенный угол.
Многочисленные исследования показывают, что скольжение и поворот осуществляются по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Чем больше в металле таких плоскостей, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы и сплавы с кубическими решетками К12 и К8 имеют большую пластичность, чем металлы и сплавы с гексагональными решетками Г12 и Г6.
Вдоль плоскостей, по которым произошел сдвиг, и в прилегающих к ним объемах происходит искажение кристаллической решетки, которое вызывает упрочнение сплава. Поэтому последующее скольжение возникает уже в другой параллельной плоскости и при большем напряжении.
Процесс скольжения нельзя представлять себе как одновременное перемещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, так как для группового перемещения атомов требуются напряжения в сотни раз большие, чем напряжения скольжения. Например, для монокристаллов железа наименьшая теоретическая прочность скольжения равна 23000 МПа, а реальная прочность скольжения составляет 290 МПа, что почти в 100 раз меньше теоретической; для алюминия реальная прочность почти в 500 раз меньше теоретической, для меди в 1540 раз.
Такое большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов вызвано наличием в реальных кристаллах многочисленных дефектов кристаллической решетки.
Сравнительно легкое перемещение атомов по плоскостям скольжения объясняется наличием в этих плоскостях линейных дефектов – дислокаций. Дислокации бывают линейные и винтовые. Образование линейной дислокации можно представить как внедрение в идеально построенный кристалл лишней кристаллографической полуплоскости атомов, называемой экстраплоскостью (рис. 22).
Рис. 22. Схема образования линейных дислокаций:
АВ – линия дислокации; CD – плоскость скольжения линейной дислокации
Нижний край экстраплоскости АВ вызывает большое искажение в кристаллической решетке, которое называется линией дислокации. Вокруг линии дислокации концентрируются все упругие искажения кристаллической решетки. Над линией дислокации, где имеется экстраплоскость, кристаллическая решетка сжимается, а под линией дислокации, где отсутствует экстраплоскость, растягивается. Длина дислокации может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний решетки.
При движении дислокаций происходит смещение атомов на величину, меньшую атомного расстояния, для чего требуются небольшие усилия. Происходит это потому, что атомы, лежащие на линии дислокации, находятся в неравновесном состоянии; смещенные из своих нормальных положений дислоцированные атомы перейдут в равновесное положение даже при небольшом напряжении, а атомы из нормального положения в дислоцированные.
В процессе пластической деформации происходит не только движение имеющихся в кристалле дислокаций, но и образуется большое количество новых дислокаций в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Если на пути движения дислокации встречаются препятствия в виде другой дислокации или дефектов другого вида, то процесс движения дислокации затормаживается, и для преодоления этих препятствий требуются большие внешние усилия.
Плотность дислокаций в недеформированном металле может составлять 10 6 –10 8 дислокаций в 1 см -2 , после деформации в этом же металле она достигает 10 10 –10 12 дислокаций в см -2 .
Таким образом, создание дислокаций – одно из важнейших явлений, возникающих при пластической деформации.
При определенной (критической) плотности дислокаций и других дефектов и искажений кристаллической решетки прочность материала увеличивается, так как создаются препятствия для свободного движения дислокаций. Чем больше искажена решетка на межзеренных и межблоковых границах, тем больше затруднено скольжение по кристаллографическим плоскостям и направлениям.
При пластической деформации поликристаллического тела зерна деформируются по разному: в первую очередь будут деформироваться те зерна, в которых плоскости легкого скольжения наиболее благоприятно расположены по отношению к приложенной силе.
В процессе развития пластической деформации изменяется форма зерен, наблюдаются повороты зерен относительно друг друга, дробление зерен и образование их определенной кристаллографической ориентации – возникает текстура деформации. По отношению к действующей силе зерна вытягиваются при растяжении и располагаются перпендикулярно к ней при сжатии. Металл приобретает как бы волокнистую структуру. Линиями волокон являются всевозможные примеси, расположенные по границам зерен. Текстурованный материал анизотропен, т.е. механические и физические свойства по разным направлениям различны.
Таким образом, пластическая деформация, каким бы способом она не производилась (растяжением, сжатием, изгибом, прокаткой, волочением и т.д.), вызывая искажения кристаллической решетки, дробление блоков мозаичной структуры, изменяя форму зерен и образуя текстуру, приводит к изменению всех свойств металлов и сплавов.
Характеристики прочности (твердость, предел прочности, предел упругости, предел текучести) с увеличением степени пластической деформации растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают. В процессе пластической деформации изменяются физические свойства: уменьшается плотность, сопротивляемость коррозии, магнитная проницаемость, увеличивается коэрцитивная сила, увеличивается электросопротивление, изменяется термоэлектродвижущая сила.
Деформация со степенью более 70% увеличивает предел прочности в полтора – два раза, а иногда и в три раза, в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Относительное удлинение при этом снижается в 10–20, а иногда и в 30–40 раз.
Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой или наклепом.
Состояние металла, возникающее в результате наклепа, является неустойчивым, метастабильным, с повышенной свободной энергией. Поэтому даже при комнатных температурах в нагартованном металлепротекают самопроизвольно диффузионные процессы, приводящие деформированный металл в более равновесное состояние. При повышенных температурах эти процессы протекают быстрее. В зависимости от степени деформации, температуры и времени нагрева в нагартованном металле протекают разные по своему типу структурные изменения, которые подразделяют на две стадии: возврати рекристаллизацию. В свою очередь стадия возврата включает отдых и полигонизацию, а стадия рекристаллизации – первичную рекристаллизацию (рекристаллизация обработки) и собирательную, или вторичную рекристаллизацию.
При отдыхе (или возврате первого рода) происходит диффузионное перемещение и аннигиляция (взаимное уничтожение) точечных дефектов, уменьшение концентрации вакансий. За сет этого частично снимаются упругие искажения кристаллической решетки и, следовательно, частично восстанавливаются механические и физические свойства. Микроструктура металла и кристаллографическая ориентация его зерен практически не изменяются. Температура отдыха для железа соответствует 300–350ºС.
Полигонизация (или возврат второго рода) протекает при более высокой температуре (для железа 450–500ºС). Она характеризуется тем, что происходит планомерное перемещение дислокаций и группировка дислокаций в ряды (рис. 23). Дислокации выстраиваются друг над другом, образуя вертикальные дислокационные малоугловые границы, которые разделяют соседние субзерна с небольшой разориентировкой решеток. В результате происходит дальнейшее снятие упругих искажений решетки и более полное восстановление физических свойств. Механические свойства при этом изменяются незначительно, т.к. процессы протекают внутри зерна, а сами зерна не изменяют свою форму.
При более высоких температурах (tнр – температура начала рекристаллизации, рис. 24), определенных для каждого материала, начинается процесс образования новых зерен взамен волокнистой
Рис. 23. Схема полигонизации:
а – хаотичное распределение дислокаций в изогнутом кристалле;
б – стенки из дислокаций после полигонизации
структуры. При этом происходит полное разупрочнение деформированного материала. Механические и физические свойства приобретают прежние значения (см. рис. 24). Образование и рост новых зерен с менее искаженной решеткой за счет исходных деформированных зерен называется рекристаллизацией обработки, или первичной рекристаллизацией. Движущей силой рекристаллизации обработки является энергия искажений деформированных зерен.
Температура начала рекристаллизации (20) зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала, химического состава, количества примесей в нем; от природы материала, от величины зерна до деформации, от температуры деформирования. Определено, что
где Трекр. – абсолютная температура рекристаллизации; а – коэффи- циент, учитывающий вышеперечисленные факторы; Тпл. – абсолютная температура плавления данного вещества.
Для железа и других металлов технической чистоты минимальная температура рекристаллизации определяется по формуле Л.А. Бочвара (21):
Повышение температуры (t1, см. рис. 24) или увеличение времени выдержки приводит к росту зерен, т.е. происходит поглощение мелких, термодинамически неустойчивых зерен более крупными. Такой процесс получил название собирательной, или вторичной рекристаллизации. Эта стадия рекристаллизации нежелательна для производства, так как она приводит к образованию разнозернистости.
Рис. 24. Влияние нагрева на механические свойства и микроструктуру
Температура рекристаллизации играет огромное практическое значение. Чтобы пластическая деформация создавала в материале упрочнение (наклеп), она должна осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка давлением называетсяхолодной.Если же обработка давлением производится при температурах выше температуры рекристаллизации, то возникающее при деформации упрочнение будет сниматься процессом рекристаллизации и материал разупрочняется. Такая обработка давлением называется горячей.
Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного материала до температуры выше Трекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (с печью), называется рекристаллизационным отжигом.
Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной обычно на 200–300ºС для ускорения процесса рекристаллизации. Для железа и низкоуглеродистой стали эта температура принимается 650–700ºС.
Установлено, что зерно растет особенно сильно после небольшой степени деформации, называемой критической степенью деформацииεкр. (рис. 25).
Критическая степень деформации для железа равна 5–6%; для малоуглеродистой стали 7–15%.
При критической степени деформации возможно взаимное уничтожение дислокаций при тепловом их движении, что способствует постепенному уменьшению количества дислокаций на границах зерен и слиянию нескольких зерен в одно крупное.
Критическую степень деформации следует избегать, так как после рекристаллизационного отжига крупнозернистая структура обладает пониженной ударной вязкостью, более низкими σв, σ0,2 и δ.
Рис. 25. Влияние степени деформации на размер зерна после рекристаллизационного отжига
Читайте также: