Какую структуру имеет холоднодеформированный металл

Обновлено: 02.07.2024

Врезультате холодного пластического деформирования металл уп­рочняется, изменяются его физические свойства. Наклепанный металл запасает 5 — 10 % энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (плотность дислока­ций возрастает до 10е9 —10е12 см(-2)) и на упругие искажения решетки. Свой­ства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, (сигма)В, (сигма)0.2, (сигма)Упр) и понижаются пластичность и ударная вязкость. Металлы интенсивно наклёпываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свой­ства изменяются незначительно (рис. 5.11). С увеличением степени дефор­маций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удли­нение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продол­жить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопро­тивление удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее метал­лов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у кото­рых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклёпываются аусте-нитная сталь, никель, а алюминий упрочня­ется незначительно).

Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений — как растягивающих, так и сжима­ющих.

С увеличением деформации повышается удельное электросопротивле­ние (максимально на 6%), а у ферромагнетиков, к которым относится большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточ­ная индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в раз­мещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании ми-кропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечно­сти деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагруз­кам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформиро­вание детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая со­противление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, на большем рассто­янии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие на­пряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной тре­щины и тем самым увеличивают долговечность деталей.

Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионно­му растрескиванию. Образование текстуры деформации вызывает анизо­тропию свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обра­ботки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обраба­тываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

Изменение структуры и свойств холоднодеформированного металла при нагреве

Структура, созданная пластической деформацией, обладает повышенным запасом энергии, так как 5-10 % энергии, затраченной на деформирование, переходит во внутреннюю энергию металла. Это энергия концентрируется в дефектах и упругих искажениях кристаллической решётки.

Для большинства деформированных металлов состояние наклёпа при комнатной температуре относительно стабильно. Но при нагреве создаются условия для движения и перераспределения дислокаций, уменьшения их количества, так как атомы получают дополнительную энергию и легче смещаются, стремясь занять равновесные положения.

Изменения структуры наклёпанного металла при нагреве протекают в две стадии. Первая стадия – возврат, проходит при температурах ниже 0,3Tпл (Tпл – температура плавления); вторая стадия – рекристаллизация, проходит при температурах выше 0,3Tпл .

Возврат

Возврат – это изменение тонкой структуры (плотности точечных, линейных дефектов и ячеистой структуры) и свойств при нагреве деформированного металла. Заметных изменений структуры (размера и формы зёрен), видимой в оптическом микроскопе по сравнению с деформированным состоянием не наблюдается.

Возврат состоит из отдыха и полигонизации.

Отдых имеет место у всех металлов, после любой по величине деформации. При отдыхе происходит уменьшение числа вакансий и перегруппировка дислокаций. Твердость и прочность снижаются незначительно - на 10-15 %, примерно настолько же увеличивается пластичность.

Полигонизация протекает не во всех деформированных металлах, а в случае небольшой степени предшествовавшей деформации. В каждом зерне наблюдается значительное уменьшение плотности дислокаций. Дислокации выстраиваются в «стенки», образуя малоугловые границы. В результате изменения дислокационной структуры зерно делится на субзерна (полигоны), почти свободные от дислокаций (рисунки 3.8 и 3.9).


Рисунок 3.8 -. Расположение дислокаций в монокристалле:

а) до полигонизации; б) после полигонизации


Рисунок 3.9 Образование субзёренной структуры вследствие полигонизации в конструкционной стали марки 38ХВА (Увел. 20300 крат)

Рекристаллизация

Рекристаллизация – это зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов, взамен деформированных. Движущей силой процесса является стремление системы к достижению состояния с минимальной свободной энергией: так как в новых зернах на много меньше дефектов, то их внутренняя энергия тоже меньше.

Температура, при которой появляются зародыши рекристаллизации и растут новые, более совершенные зерна, называется температурой рекристаллизации (ТР).

Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления (Tпл) металла и может быть рассчитана по формуле А.А.Бочвара - Tр = a×Tпл. Коэффициент a существенно зависит от количества примесей в металле: для химически чистых металлов
a = 0,1-0,2; для технически чистых металлов a = 0,4; для сплавов типа твёрдых растворов a = 0,6-0,7.

Технически чистые металлы - медь, железо, алюминий, имеют температуру рекристаллизации ТР=270 ºС, 450 ºС, 100 ºС, соответственно. В сплавах процессы рекристаллизации протекают при более высоких температурах. Для сплавов температуру рекристаллизации устанавливают экспериментальными методами.

Изменение микроструктуры холоднодеформированного металла при нагреве показано на рисунке 3.10; изменение механических свойств – на рисунке 3.11.


Рисунок 3.10 - Изменение микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а) – структура после деформации (при Т< ТР);
б) – начало и в) – завершение первичной рекристаллизации (при Т≥ ТР);
г) – начало и д) – окончание собирательной рекристаллизации (при Т> ТР); е) – вторичная рекристаллизация (при Т>>ТР).


Рисунок 3.11 Изменение механических свойств наклепанного металла в результате рекристаллизации (σ – временное сопротивление разрыву,
δ – относительное удлинение).

Когда все деформированные вытянутые зерна заменятся новыми равноосными, это будет означать завершение первичной рекристаллизации (рисунок 3.10, в). Новые зерна имеют низкую плотность дислокаций (p=10 5 -10 6 см -2 ) по сравнению с деформированными (p=10 10 -10 12 см -2 ).

После окончания первичной рекристаллизации происходит рост новых зёрен, их размеры выравниваются. Этот процесс называется собирательной рекристаллизацией (рисунок 3.10,г,д), его развитие благоприятно влияет на окончательную структуру и пластические характеристики металла. Движущей силой структурных преобразований на этой стадии процесса рекристаллизации является стремление системы к минимальной поверхностной энергии, что реализуется за счет роста зерен и уменьшения суммарной площади поверхности границ.

Затем может происходить вторичная рекристаллизация (рисунок 3.10,е): бурный избирательный рост некоторых зёрен. Получаемая ярко выраженная разнозернистая структура приводит к одновременному снижению прочности и пластичности металла. Это не желательно, так как при последующей холодной обработке давлением в металле возникают большие внутренние напряжения и образуются трещины.

Рекристаллизация снимает наклеп, металл приобретает равновесную структуру с минимальным числом дефектов кристаллической решетки. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного, не наклепанного металла.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.007)

Свойства холоднодеформированных металлов

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получить большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

Процесс холодного деформирования характеризуется формоизменением изделия и изменением формы зерен, вытягивающихся в направлении наиболее интенсивного течения металла (рисунок 7, г). Холодная деформация вызывает изменения механических и физико-химических свойств металла, приводящее, в частности, к упрочнению металла. Это явление называется наклепом.

Наклепанный металл запасает 5–10 % энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки и на ее упругие искажения. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки, накопления дислокаций у границ зерен. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При холодном деформировании, когда температура металла ниже 0,3Тпл, увеличиваются прочностные характеристики (твердость, σв, σ0,2, σупр) и понижаются пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, KCU). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформации, когда характеристики предела текучести и временного сопротивления у наклепанных металлов сравниваются, удлинение становится равным нулю, а попытка продолжить деформирование металла приводит к его разрушению. Путем наклепа твердость и временное сопротивление многих металлов и сплавов удается повысить в 1,5–3 раза, а предел текучести – в 3–7 раз. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК-решеткой. С увеличением степени деформации повышается удельное электросопротивление, а у ферромагнетиков, к которым относится большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточная индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклепанные металлы легче окисляются и склонны к коррозионному растрескиванию. Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные зерна. В равномерном температурном поле скорость роста зерен по всем направлениям одинакова. Новые равноосные зерна, появившиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые размеры по всем направлениям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен вытянутых деформированных, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре Трек, равной 0,4 абсолютной температуры плавления Тпл металла.

Рекристаллизация протекает с определенной скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформированной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механических свойств металла, но влияет на некоторые его физико-химические свойства. Так, например, в результате возврата значительно повышается электрическая проводимость, сопротивление коррозии холоднодеформированного металла.

До температуры Трек сохраняется деформируемое зерно (рисунок – 8). При температуре выше Трек в деформируемом металле растут зародыши новых зерен с неискаженной решеткой. При нагреве наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое, размеры которого могут отличаться от исходных. Этот процесс называется рекристаллизацией.


Рисунок 8 - Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла при возврате и рекристаллизации

Образование новых зерен и резкое снижение плотности дислокаций приводит к высвобождению основной доли энергии, накопленной объеме металла в процессе холодной пластической деформации.

Как видно на схеме (рисунок – 8), при рекристаллизации прочность, характеризующаяся временным сопротивлением σв, резко снижается, а пластичность δ возрастает. Это разупрочнение объясняется снятием искажения решетки и резким уменьшением плотности дислокаций.

Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чем Трек, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. Такая термическая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

После завершения первичной рекристаллизации и при продолжении нагревания происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Этот процесс называется собирательной рекристаллизацией (рисунок – 8). Основной причиной собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению энергии благодаря уменьшению протяженности границ при росте зерна. При температуре t1 (рисунок – 8) пластичность может уменьшаться, что объясняется сильным ростом зерна – перегрев.

Величина зерна после рекристаллизации оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают повышенной прочностью и вязкостью. Однако в некоторых случаях необходимо, чтобы металл имел крупное зерно. Так, трансформаторная сталь или техническое железо имеют наиболее высокие магнитные свойства при крупном зерне.

Горячая деформация

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной, поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков).

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации Трек сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.



а – холодная пластическая деформация; б – горячая пластическая деформация

Рисунок 9 - Схемы изменения микроструктуры металла при деформации (прокатке)

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки, и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной без следов упрочнения (рисунок – 9, б, в).

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая деформация называется неполной горячей деформацией. Она приводит к получению неоднородной структуры, снижению механических свойств и пластичности, поэтому обычно нежелательна.

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование). В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.009)

Лекция 9. Тема № 5. «Разупрочнение деформированного металла при нагреве»

Процессы, происходящие при разупрочнении металлов при нагреве – отдых, полигонизация, рекристаллизация. Изменение структуры при отдыхе – условия прохождение отдыха. Изменение структуры при полигонизации – виды полигонизации. Температура рекристаллизации. Виды рекристаллизации – первичная, собирательная, вторичная. Процессы, происходящие при этих видах рекристаллизации, их влияние на свойства металлов и сплавов.

Структура холоднодеформированного металла, характеризующаяся повышенной плотностью дислокаций, вакансий и других дефектов, обладает повышенным запасом свободной энергии и является термодинамически неустойчивой. При нагреве такая структура будет самопроизвольно переходить в более устойчивое состояние с меньшим запасом энергии.

При повышении температуры различают следующие основные виды структурных изменений при нагреве наклепанного металла:

1. Отдых, включающий в себя возврат и полигонизацию;

2. Рекристаллизация, включающая в себя первичную, собирательную и вторичную рекристаллизации.

Под возвратом следует понимать процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов, а также некоторого перераспределения дислокаций без образования новых границ. Этот процесс происходит при невысоких температурах (до 0,1-0,2 Тпл.).

При возврате происходит частичное восстановление (возврат) свойств металла без металлографически обнаруживаемых изменений структуры. Наиболее существенно на стадии возврата изменяется удельное электросопротивление, которое, в сравнении с наклепанным состоянием уменьшается на 20-30 %. Основной причиной восстановления свойств при возврате является уменьшение концентраций точечных дефектов. Избыточные вакансии и межузельные атомы погашаются при встрече или поглощаются дислокациями и границами зерен. На этой стадии частично устраняются и дислокации. Дислокации противоположных знаков притягиваются ианнигилируют.

При рассмотрения явления полигонизации различают две ее разновидности: стабилизирующую и предрекрестaллизационную. Первая наблюдается в слабoдеформированных металлах, вторая - в сильнодеформированных.

Стабилизирующая полигонизация, протекающая при нагреве слабодеформированных металлов, характеризуется перераспределением и частичной аннигиляцией дислокаций, формированием субзеренных границ и ростом субзерен. Дислокационный механизм стабилизирующей полигонизации наиболее наглядно объясняется на примере монокристаллов, деформированных изгибом и содержащих избыточное число краевых дислокаций одного знака (рис, 1а).

При нагреве дислокации под воздействием дальнодействующих упругих полей перегруппировываются. Дислокации разных знаков аннигилируют, а избыточные дислокации одного знака выстраиваются в энергетически более выгодные дислокационные стенки, перпендикулярные плоскостям скольжения (рис. 1б).

Полигонизация в металлах протекает при температурах 0,25 - 0,3 Тпл, когда скорость диффузионных процессов заметно увеличивается. Поэтому формирование вертикальных дислокационных стенок происходит как за счет перегруппировавшихся дислокаций, так и в связи с их переползанием. Образовавшиеся вертикальные стенки дислокаций представляют собой малоугловые границы, которые делят кристалл как бы на отдельные кристаллические блоки или полигоны (откуда и полигонизация), свободные от дислокаций. Такие дислокационные стенки хорошо выявляются металлографически в виде ямок травлений в местах выхода каждой дислокации.

Рассмотренное представление о полигонизации, основанное на анализе этого процесса в слабо деформированном кристалле, без достаточных оснований было перенесено и на сильно деформированный металл. В настоящее время понятие полигонизации значительно расширено.

Рисунок 1 - Схема распределения дислокаций в кристалле после деформации (а) и стабилизирующей полигонизации (б)


Рисунок 2 - Схема превращения ячеистой структуры сильно деформированного металла (а) в субзеренную(6) в результате предрекристаллизационной полигонизации.

В случае нагрева сильнодеформированного металла, в котором при деформации сформировалась дислокационная ячеистая структура (случай наиболее частый), полигонизация заключается в сплющивании дислокационных объемных сплетений (стенок ячеек) и превращения этих сплетений в плоские субграницы. При этом ячейки превращаются в субзерна (рис. 2).

Этот более сложный случай полигонизации включает в себя не только скольжение и переползание, но и поперечное скольжение винтовых дислокаций.

В отличие от слабодеформированного кристалла, в котором границы (полигонов) формируются только в процессе полигонизации, в более сильно деформированном кристалле ячеистая дислокационная структура определяет форму иразмер образующихся при полигонизации субзерен. Таким образом, при полигонизации ячеистой структуры образующиеся субзерна как бы наследуют расположение, форму и размер ячеек деформации.

Малоугловые границы, образовавшиеся при полигонизации слабодеформированного кристалла, являются малоподвижными исубзерна после такой полигонизации не растут. Отсюда иназвание: стабилизирующая полигонизация.

Субзерна, образовавшиеся на месте деформационных ячеек, отличаются большей кривизной и подвижностью, чем дислокационные стенки, образовавшиеся при полигонизации после слабой деформации. Такие субзерна нестабильны и склонны к укрупнению. Укрупнение субзеренможет совершаться двумя путями:

I) миграцией субграниц под влиянием стремления к уменьшению зернограничного натяжения или к уменьшению объемной энергии соседних субзерен;

2) путем коалесценции соседних субзерен с рассыпанием разделяющей их дислокационной границы.

В результате полигонизации частично уменьшаются внутренние напряжения, внесенные деформацией. Обычно комплекс механических свойств в процессе полигонизации чаще изменяется мало.

В результате полигонизации образуются иукрупняются субзерна внутри деформированных зерен, но форма зерен, вытянутых деформацией, не меняется. Только при дальнейшем повышении температуры в связи с увеличением диффузионной подвижности атомов развивается.

Рекристаллизация -это процесс полной или частичной замены одних зерен данной фазы другими зернами той же фазы, обладающими меньшей энергией.

В чистых металлах рекристаллизация протекает при температурах выше 0,4 Тпл, а в сплавах - выше 0,6 Тпл.

При первичной рекристаллизации, которая развивается первой, происходят зарождение ирост новых неискаженных равновесных зерен взамен вытянутых деформацией (рис. 3). Зародыши новых зерен образуется всегда в местах максимальной искаженности кристаллической решетка, созданных деформацией: на тройных стыках зерен, на границах зерен и двойников, на границах полос скольжения, около частиц других фаз. Механизм зарождения центров рекристаллизации тесно связан с процессами, протекающими при рекристаллизационной полигонизации. Образовавшиеся при полигонизации субзерна отличаются между собой по размерам и величине разориентировки. Большие по величине и более сильно разориентированные субзерна растут интенсивнее. Их малоугловые границы поглощают при своем движении дислокации ив результате превращаются в большеугловые высокоподвижные границы, что и характеризует окончание формирования центра (зародыша) рекристаллизации. Затем зародыши растут в результате перехода к ним атомов от деформированных участков. Рекристаллизованные зерна содержат значительно меньше дислокаций (10 6 - 10 8 см -2 ), чем деформированные (10 10 – 10 12 см -2 ).

Таким образом, при нагреве наклепанного метала старое зерно не восстанавливается, впоявляется совершено новое, размеры которого могут существенно отличаться от исходного.

Измельчение исходного (до деформации) зерна приводит к понижению температуры начала рекристаллизации, так как в более мелкозернистом металле больше суммарная площадь высокоугловых границ, где зарождаются центры рекристаллизации, и больше накопленная при деформации энергия.

Процесс первичной рекристаллизации термодинамически выгоден, так как сопровождается уменьшением объемной свободной энергия за счет уменьшения плотности дислокаций.

В результате первичной рекристаллизация после больших степеней холодной пластической деформации образуется мелкозернистая структура (рис. 4).

Наименьшая температура, при которой начинается рекристаллизация, называется температурным порогом рекристаллизации. Для данного металла (сплава) она зависит в первую очередь от чистоты металла по примесям и от целого ряда других факторов, которые будут рассмотрены ниже.


Рисунок 3 - Начальная стадия первичной рекристаллизации в технически чистом железе (а) и латуни (б)


Рисунок 4 - Мелкозернистая структура латуни, образовавшаяся в результате первичной рекристаллизации.

Зависимость температуры начала рекристаллизации от состава в двойных системах немонотонная и различная у разных сплавов. Только в однофазной области в интервале малых концентраций наблюдается непрерывный рост температуры порога рекристаллизации, причем с увеличением их концентрации температура начала рекристаллизации сначала растет очень сильно, а затем - замедляется.

Атомы примесей упруго притягиваются к дислокациям, образуя атмосферы Коттрелла. Эти примесные атмосферы мешают перераспределению дислокаций, необходимому для формирования центров рекристаллизации. Примеси тормозят не только зарождение, но и рост центров рекристаллизации, так как они притягиваются к границе зародыша. При нагреве металла до более высоких температур примесные атмосферы размываются тепловых движением, в результате чего становится возможным деформирование центров рекристаллизации и облегчается их рост.

Таким образом, чем чище металл, тем ниже порог рекристаллизации.

По сравнению с действием малых добавок на чистейший металл, когда сотые и десятые доли процента добавки могут повысить температуру начала рекристаллизации на сто градусов и более, увеличение содержания легирующих элементов в области больших концентраций на проценты я десятки процентов сравнительно слабо изменяют темпе­ратуру порога рекристаллизации. Соотношение температур начала рек­ристаллизация я плавления у твердых растворов выше, чем у чистых металлов, причем у однофазных сплавах-растворах величина Тр/Тпл. составляет максимум 0,6 (по сравнению с 0,25 - 0,40 у металлов).

В двухфазных сплавах увеличение объемной доли второй фазы приводят к возрастанию порога рекристаллизации.

Следует уяснить, что после окончания первичной рекристаллизация структура металла еще не становится стабильной. При увеличении времени выдержки или повышении температуры вслед за первичной, происходят собирательная рекристаллиация.

Под собирательной рекристаллиацией понимают процесс роста зерен одной фазы за счет других зерен этой же фазы, идущий в направлении приближения тройных стыков к равновесия» (120°), в направлений спрямления границ и уменьшения их кривизны. Процесс роста происходят передвижением высокоугловых границ таким образом, что зерна с вогнутыми границами "поедает" зерна с выпуклыми границами. Основной движущей силой собирательной рекристаллизация является стремление системы к уменьшению зернограничной (поверхностной) энергия благодаря уменьшении протяженности границ при росте зерна. Следует подчеркнуть, что зерен предпочтительного роста при собирательной рекристаллизации нет.

Примеси в металлах оказывают заметное влияние на собирательную рекристаллизации. Атомы растворенных примесей упруго притягива­ется к границе и движение ее (миграция) связана с протаскиванием за собой примесных атомов. Мигрирующая граница встречает на своем пути примесные атомы, распределенные в теле "поедаемого" зерна, примесь на границе накапливается, усиливая ее торможение.

Если мигрирующая граница встречает включения второй фазы, то она должна огибать эти включения и затем отрываться от них, что за­трудняет собирательную) рекристаллизацию. После отрыва границы от включений второй фазы их цепочка остается внутри растущего зерна.

Процессы первичной и собирательной рекристаллизация могут ид­ти одновременно, то есть они накладываются друг на друга.

В результате собирательной рекристаллизации вырастают крупные равновесные (полиэдрические) зерна (рис. 5), содержащие значительно меньше дислокаций (10 6 - 10 8 см -2 ),чем деформированные (10 10 - 10 12 см -2 ).

В итоге рассмотренных процессов рекристаллизации наклеп прак­тически полностью снимается и свойства приближается к их исходным значениям (рис. б).

Как видно из графика, при рекристаллизации предел прочности и, особенно, предел текучести, резко снижается, а характеристики пластичности возрастает. Достигаемое разупрочнение объясняется сня­тием искажений решетки и резким уменьшением плотности дислокация.

Если в результате собирательной рекристаллизация вырастает слишком крупное зерно, это мотет быть причиной снижения пластичности металла (явление перегрева).

Рис. 5. Структуры технически чистого железа (а) и латуни (б)

после собирательной рекристаллизации.

Важнейшее практическое значение рекристаллизации состоят в том, что она только позволяет восстановить структуру недеформированного металла, но дает возможность управлять величиной зерна, ко­торая оказывает большое влияниена механические и другие свойства металлов, (как вам уже известно, с уменьшением размера зерна их вязкость а прочностные характеристики возрастают).

Для того, чтобы управлять величиной зерна я, следовательно, пожучить необходимее свойства, необходимо знать, какие факторы оказывают влияние на эту характеристику структуры.


Рис. 6. Влияние нагрева на структуру и механические свойства метана, упрочненного деформацией.

К таким факторам относятся прежде всего температура рекристаллизационного отжига я его длительность, а также степень деформации, предшествовавшей нагреву. Понятно, что влияние этих факто­ров должно зависеть от природы основного металла, наличия я количества легирующих элементов и нерастворенных примесей. Ясно также, что размер рекристаллизированного зерна зависят от размеров зерна исходного.

Вторичная рекристаллизация, называе­мая иногда аномальной, заключается в преимущественном росте отдель­ных зерен, попавших в наиболее благоприятные условия роста. В ре­зультате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация может быть вызвана благоприятной для роста кристалло­графической ориентировкой отдельных зерен, меньшей, чем у других зерен, концентрацией дефектов, меньшим содержанием на границах примесей. Соответственно, в зависимости от условия, этот вид рекристаллизации может стимулироваться объемной или зернограничной энергией. Структура с разнозернистостью характеризуется пониженной пластичностью.

Влияние температуры рекристаллизации на размер зерна рассмот­рено выше и характеризуется графиком, приведенным на рис. 7а, из которого следует интенсивный рост зерна при увеличении этой температуры. При данной степени деформации Е и определенной темпера­туре размер зерна возрастает с увеличением продолжительности рекристаллизационного отжига, как это изображено на рис. 7 б.


Рис. 7. Влияние температуры, продолжительности отжига и

степени деформации на величину рекристаллизированного зерна (t123; On и On ’ - продолжительности инкубационного периода; f и f ’ - критические степени деформации).

Зависимость величины рекристаллизационного зерна, приведенная на рис. 7 в, объясняется следующим образом. Установлено, что зародыши рекристаллизации образуется в местах максимальных искажений кристаллической решетки. Количество таких мест с увеличением степени деформация возрастает, а значит, будет увеличиваться и число центров рекристаллизации. Поскольку при увеличения числа центров рекристаллизации, особенно после больших степеней деформация, . скорость их роста поя постоянной температуре изменяется незначительно, размер рекристаллизационных зерен с увеличением степени деформации должен уменьшаться.

Как видно из приведенной опытной зависимости, выдвинутая гипотеза подтверждается только при относительно больших степенях деформации - выше 5 - 15 %. При меньших степенях деформации величина зерна вообще не изменяется. И было понятно, почему после рекристаллизации металла, деформированного на 5 - 15 %, образуется столь крупное зерно, иногда во много раз превосходящее по размерам исходное.

Установлено, что после малых степеней холодной деформация (до 5 %) плотность дислокаций в деформированном металле повышается незначительно. Нагрев после такой деформации приводят, как правлю, к стабилизирующей полигонизации, затрудняющей последующие структурные изменения. В результате, нагрев, после таких степеней деформации, не вызывает роста зерна. Процесс ограничивается протекавшей в них полигонизацией.

Степень деформации (5 - 15 %), нагрев после, которой вызывает скачкообразный рост зерна, называется критической. При нагреве после критической: деформации также не происходит первичной рекристаллизации, характерной особенностью которой является зарождение и рост новых зерен. Нагрев после критической деформации вызывает рост одних исходных перекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних. Такой механизм кристаллизация, сходной со вторичной рекристаллизацией, объясняется неоднородностью деформации разных зерен при небольших степенях деформации.

В связи с этим при нагреве становится возможным рост менее де­формированных зерен, имеющих более низкое значение свободной энергии, за счет более деформированных, имеющих большую свободную энергия. При более высока степенях деформация протекает процесс первичной рекристаллизации.

В практике обработки металлов давлением следует избегать критической степени деформация, т.к. крупнозернистая структура, получаемая в результате последующего рекристаллизационного отжига, проводимого для снятия наклепа, обладает пониженной ударной вязкостью, Это требование должно регламентироваться технологическими инструкциями.

Какую структуру имеет холоднодеформированный металл

Теория обработки металлов давлением - прикладная наука, основной задачей которой является разработка основ построения оптимальной технологии обработки, обеспечивающей максимальную деформацию в каждой операции при минимальной затрате энергии, получение продукции высокого качества.


В теории обработки металлов давлением изучаются физическая природа пластической деформации металлов, влияние различных факторов на процесс деформирования, силовое взаимодействие между инструментом и деформируемым металлом, влияние пластич@ской деформации на строение и свойства обрабатываемого материала и др.

При определенных условиях охлаждения жидкий металл затвердевает, превращаясь в тело правильной формы со строго упорядоченным внутренним (атомным) строением. Такое тело называется монокристаллом. Если в жидком металле атомы находятся в непрерывном хаотическом движении, то в монокристалле они под действием межатомных сил располагаются в определенном порядке. Такое строение называется кристаллическим, оно схематично изображается кристаллической решеткой (рис. 2, а), которая представляет собой вполне определенное для каждого металла расположение центров устойчивого равновесия атомов. Кристаллическое строение металла определяется типом элементарной ячейки и его параметрами (расстояние между атомами).


На рис. 2 приведены три наиболее распространенных типа элементарных ячеек. Гранецентрированную кубическую решетку (рис. 2, в) имеет железо при температуре от 910 до 1401'С, алюминий, свинец, медь, серебро, золото и др.; объемно-центрированную кубическую (рис. 2, б) - железо при температуре ниже 910'С, хром, вольфрам, молибден и др.; строение магния, титана, бериллия и других определяется гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой (рис. 2, г).

Кристаллизация металла в условиях производства начинается одновременно во многих центрах. Поэтому после затвердевания такой металл состоит из огромного числа отдельных, прочно сросшихся между собой кристаллов - зерен (рис. 3, а). Такое тело называют поликристаллитом, а строение - поликристаллическим.

Металлы и сплавы, применяемые в машиностроении, и, в частности, в кузнечном производстве, имеют поликристаллическое строение. В этих металлах и сплавах, как правило, присутствуют различные неметаллические включения в виде окислов, нитридов, сульфидов и т. д. В силу того, что температура затвердевания неметаллических включений ниже, чем металла, то в первую очередь кристаллизуются поликристаллы, а затем затвердевают неметаллические включения, которые располагаются по границам зерен в виде тонких прослоек или отдельных включений разнообразной формы. Размеры зерен обычно составляют 0,01 - 0,1 мм, но при медленном охлаждении металла их размеры могут достигнуть нескольких миллиметров.

Свойства металлов во многом зависят от их кристаллического строения, величины и формы зерен и неметаллических включений. Так, чем более мелкозернистый металл, тем выше его механические свойства, а металлы, имеющие гранецентрированную кристаллическую решетку, обладают наиболее высокими пластическими свойствами.


При обработке металлов давлением под действием внешних сил в заготовке возникают напряжения. Если эти напряжения невелики, то происходит упругая, или обратимая, деформация. При такой деформации атомы металла смещаются с положений устойчивого равновесия на очень малые расстояния, не превышающие межатомные (рис. 4, б). После снятия нагрузки атомы под действием межатомного воздействия возвращаются в исходные положения устойчивого равновесия (рис. 4, а). Форма тела при этом полностью восстанавливается. При упругой деформации никаких остаточных изменений в металле не происходит. Величина упругих деформаций очень мала и составляет тысячные доли процента.

С увеличением внешней нагрузки в теле напряжения растут, что ведет к увеличению смещения атомов с положения устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные (рис. 4, в). После снятия нагрузки атомы занимают новые места устойчивого равновесия и поэтому форма тела не восстанавливается (рис. 4, г). Такое необратимое изменение формы тела называется пластической деформацией. Способность металла подвергаться пластической деформации называется пластичностью. Количественно пластичность характеризуется величиной максимальной остаточной деформации, которую можно сообщить металлу до его разрушения. Пластичность, как будет показано ниже, зависит от условий деформирования (температуры металла, схемы нагружения и др.).

Пластическая деформация поликристаллического металла складывается из деформации внутрикристаллитной и деформации межкристаллитной. Рассмотрим внутрикристаллитную деформацию. Пластическая деформация в отдельно взятом зерне происходит в основном за счет скольжения одних тонких атомных слоев кристаллита (зерна) относительно других (рис. 4, в, г). Смещения происходят по особым кристаллографическим плоскостям, которые наиболее плотно упакованы атомами. Эти плоскости называют плоскостями скольжения. Например, для металлов с гранецентрированной кристаллической решеткой такой плоскостью является плоскость октаэдра (см. рис. 2, в). Скольжение атомных слоев происходит в первую очередь по тем плоскостям скольжения, направление которых составляет 45' по отношению к направлению действия усилия сжатия Р (рис. 3, а), так как по этим направлениям действуют максимальные касательные напряжения т. Так, в образце, представленном на рис. 3, а, скольжение будет происходить в зернах 1, 2, 3, 4, 5, так как их плоскости скольжения расположены под углом 45' к действию усилия Р. В результате пластической деформации зерна вытягиваются в направлении наибольшего течения металла и приобретают вытянутую форму (рис. 3, в). Такая структура называется строчечной или полосчатой.

В процессе деформирования зерна поворачиваются, перемещаются скольжением относительно друг друга - происходит межкристаллитная деформация (рис. 3, б). При разворотах у все большего числа зерен плоскости скольжения получают направление под углом 45' к действию силы Р и в них также интенсивно развивается пластическая деформация. Таким образом, заготовка в целом подвергается пластической деформации.

Для одновременного сдвига одной части кристаллита относительно другой требуются напряжения, в сотни и тысячи раз превышающие напряжения, достаточные для этого на практике. Связано это с тем, что в реальных металлах имеются места ослабленных межатомных связей и большое количество вредных примесей. Поэтому скольжение в зернах происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, а последовательно, путем перемещения отдельных групп атомов относительно других, на что требуются значительно меньшие сдвиговые напряжения. Ослабление связей между атомами обусловлено наличием несовершенств в строении реальных кристаллитов, например, отсутствие или избыток в узлах решетки дополнительных атомов. Такие несовершенства называют дислокациями.

В процессе холодной пластической деформации в металле возникают дополнительные дислокации, образуются осколки кристаллитов, которые, затрудняя дальнейшую деформацию, вызывают увеличение прочности и твердости металла, уменьшение пластичности и изменение его физических и химических свойств. Так, электросопротивление и химическая активность увеличиваются, магнитная проницаемость и теплопроводность уменьшаются. Совокупность изменений механических, физических и химических свойств металла в результате пластической деформации называется наклепом или упрочнением.

Структура холоднодеформированного металла характеризуется анизотропией (неравенством) механических свойств в различных направлениях.

В процессе пластической деформации одновременно с образованием строчечной структуры и текстуры деформации металл приобретает также волокнистое строение. Волокнистое строение наблюдается в виде тонких полос, представляющих собой вытянутые в направлении наибольшего течения металла неметаллические включения или зоны металла, содержащие повышенное количество примесей (рис. 4, б, в). Если строчечная структура может быть обнаружена только под микроскопом, то волокнистое строение наблюдается невооруженным глазом. Очевидно, что однородный металл, в котором отсутствуют примеси, после деформации не будет иметь волокнистого строения.

При вполне определенной для каждого металла максимальной величине пластической деформации в них возникают микропоры и микротрещины. При дальнейшем деформировании трещины развиваются, растут и приводят к разрушению металла. Таким образом, для каждого металла существует предельно допустимая величина пластической деформации, которая характеризует пластические свойства металла.

Пластические свойства зависят от условий деформирования: температуры обрабатываемого металла, схемы нагружения (сжатия, растяжения), степени и скорости деформации и др.


В производственных условиях большинство металлов и сплавов обрабатывают давлением в предварительно нагретом состоянии, поскольку с увеличением температуры пластичность металла увеличивается, а сопротивление деформированию снижается.

В зависимости от температуры обработки деформация может быть холодной, неполной горячей и горячей. В отличие от холодной пластической деформации, подробно рассмотренной выше, при неполной горячей деформации происходит частичное восстановление искаженной кристаллической структуры и уменьшение остаточных напряжений в металле. Объясняется это некоторым повышением активности атомов, поскольку рассматриваемая деформация осуществляется при повышенной температуре, примерно при Т = (0,25. 0,3)Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления металла. Следует отметить, что при неполной горячей деформации металл, хотя и в меньшей степени, чем при холодной, но все же несколько упрочняется и приобретает строчечную и волокнистую структуру.

Горячая пластическая деформация характеризуется тем, что в деформируемом металле протекает процесс рекристаллизации. Рекристаллизация - это явление возникновения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. На рис. 5, а представлена фотография микроструктуры холоднодеформированного металла и его структуры после рекристаллизации (рис. 5, б). Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру, и упрочнение металла не наблюдается. Температура, при которой происходит процесс рекристаллизации, называется температурой рекристаллизации. Установлено, что для чистых металлов температура рекристаллизации Трек ≥ 0,4Тпл.

В отличие от неполной горячей, при горячей пластической деформации строчечная структура ликвидируется, а волокнистое строение металла сохраняется, так как вытянутые в момент деформирования неметаллические включения рекристаллизации не подвергаются.

Читайте также: