Температура деформации металла при нагреве

Обновлено: 20.05.2024

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 Т_пл.), 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.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, 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; в ряде металлов, таких, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

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.

Схема полигонизации: а, б — наклепанный металл до и после полигонизации соответственно

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах твердых растворах -наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами.

Термическая обработка металлов и сплавов

Определения и классификация

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.

Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30-200°С/ч.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице:

охлаждающей среды, о С

10%-ный раствор в воде: NaCl, NaOH

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при температуре 20-25°С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.

Отпуск и старение — термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор. В этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении,— распад пересыщенного твердого раствора. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин “отпуск” используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение. Термин “старение”-применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.

Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иногда и весь процесс термической обработки (отжиг) проводят в термических печах.

Термическую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия становится более равновесным.

Нагрев для снятия остаточных напряжений

Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновением в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п.

Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежелательны. Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции; увеличивая запас упругой энергии, остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут достигать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева.

В стальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С; после выдержки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от нескольких до десятков часов и зависит от массы изделия.

В сплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Например, в холоднодеформированных латунных полуфабрикатах остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-300°С

По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пределах 20-200 °С/ч.

Рекристаллизационный отжиг

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет решающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на спокойном воздухе. Цель отжига - понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств, и получение заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперационной смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100-200 °С выше температуры рекристаллизации. В некоторых металлах и твердых растворах рекристаллизация сопровождается образованием текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает анизотропию свойств. Это позволяет улучшить те или иные свойства вдоль определенных направлений в деталях. В машиностроении и приборостроении широкое применение находят металлы и сплавы - твердые растворы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии. В таких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пластической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла - внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 21 — Схема процесса полигонизации

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

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

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

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

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

где Т_пл — абсолютная температура плавления, К;

а — коэффициент, зависящий от чистоты металла.

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

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

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

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

Таблица 2 — Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов

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

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

Рисунок 22 — Схема роста зерен при собирательной рекристаллизации

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

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

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

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

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

Лекция 10. Тема № 6. «Особенности горячей деформации металлов и сплавов»

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

МЕХАНИЗМ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

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

- деформация осуществляется через определенные промежутки времени;

- температура деформации в каждом последующем проходе ниже;

- во время промежутка между деформациями происходит частичное восстановление структуры;

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

При деформации в горячем (аустенитном) состоянии происходит:

-увеличение плотности дислокаций (наклеп);

- перестройка и перераспределение дислокаций (разупрочнение).

Наклеп в процессе деформации

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

В первой клети (высокая температура, малые степени деформации)

Упрочнение происходит внутризеренное скольжение дислокаций, двойникование.

Образуется ячеистая структура.

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

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

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

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

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

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

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

Возможно прохождение собирательной динамической рекристаллизации.

Это нежелательно т.к. приводит к разнозернистости .

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

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

При ε ≈ 20% статическая полигонизация и рекристаллизация.

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

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

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

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

ОСОБЕННОСТИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

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

малые скорости деформирования

I – стадия упрочнения

II – отсутствие упрочнения (σ = const)

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

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

1. Динамический возврат

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

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

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

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

I – дислокационные клубки и слаборазвитые ячейки

II – хаотическое распределение дислокаций

III – переходная структура

IV, V – развитая ячеистая структура

V – оптимальные режимы деформации

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

Взаимодействие процессов упрочнения и разупрочнения зависит:

1. От температуры

2. От степени деформации

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

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

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

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

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

I рода – Субкристаллическая неоднородность – в пределах зерна.

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

II рода – Микроскопическая неоднородность – определяется взаимодействием зерен.

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

При повышении температуры деформации – неоднородность увеличивается.

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

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

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

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

Коэффициент показания деформации:

Ψ, %	К
< 20
20-60
60-90

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

II фактор - влияние сил трения между металлом и поверхностью инструмента

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

где а – вход металла в валки;

b – выход металла из валков;

l_k – поверхность контакта металла с валками.

2 – поверхность полосы

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

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОКОНЧАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

ВЛИЯНИЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПЕРЕД ДЕФОРМАЦИЕЙ:

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

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ:

Скорость деформации влияет на процессы структурообразования на всех этапах деформирования.

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

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

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ:

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

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИЯМИ:

Время выдержки влияет на возможность прохождения статической рекристаллизации.

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

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКОНЧАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ:

При выборе температуры окончания деформации следует обращать внимание на:

1) возможность процессов статической рекристаллизации при последующем охлаждении;

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

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

Для эвтектоидной стали – чуть выше А₁.

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

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОСЛЕ ДЕФОРМАЦИИ:

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

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

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

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

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

Вывод:

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

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

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

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

При этом изменяют:

1) температура нагрева стали;

2) распределение температуры и степени деформации по клетям;

3) величины пауз между клетями и последеформационной выдержке;

4) температура конца прокатки и смотка;

5) скорость охлаждения.

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

Уравнение Холла- Петча должно быть дополнено:

где К₁ – коэффициент определяет вклад субграниц в развития деформации;

d_c – средний размер субзерен;

Влияние d_c иногда превышает влияние D₃ .

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

Конечный размер D₃ регулируют следующие параметры.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

..

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

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

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

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

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

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

Рис. 8.4. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойства

Рис. 8.5. Изменение структуры деформированного металла при нагреве

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

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

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

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

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

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

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

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления

для металлов для твердых растворов для металлов высокой чистоты

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

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

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

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

1. Что называется деформацией?

2. Какие виды деформации вы знаете? Приведите примеры.

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

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

5. Что такое «нагартовка» - «наклёп»?

6. Как вы понимаете понятие «текстура»?

7. Каким образом получают нагартованную текстуру?

8. Какие отрицательные свойства появляются у металла после нагартовки?

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

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

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

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

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

Холодная и горячая деформация

Изменение структуры и свойств металла при обработке давлением определяется температурно-скоростными словиями деформирования, в зависимости от которых различают холодную: горячую деформацию.

Холодная деформация характеризует-ся изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов (рис. 3.1, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).

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. Так как в равномерном температурном поле скорость роста зерен по всем направлениям одинакова, то новые зерна, появля- ющиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые размеры по всем направлениям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления 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. Эти напряжения возникают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций при пластическом деформировании и т. д. Остаточные напряжения создают системы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в заготовке, не нагруженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механических свойств металла, но влияет на некоторые его физико-химические свойства. Так, в результате возврата значительно повышается электрическая проводимость, сопротивление коррозии холод-нодеформированного металла.

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

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микро-

структура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис. 3.1, б).

Читайте также:

Температура деформации металла при нагреве

Рекомендуемые материалы

Холодная и горячая деформации

Термическая обработка металлов и сплавов

Определения и классификация

Нагрев для снятия остаточных напряжений

Рекристаллизационный отжиг

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Лекция 10. Тема № 6. «Особенности горячей деформации металлов и сплавов»

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

Холодная и горячая деформация

Температура деформации металла при нагреве

Рекомендуемые материалы

Холодная и горячая деформации

Термическая обработка металлов и сплавов

Определения и классификация

Нагрев для снятия остаточных напря­жений

Рекристаллизационный отжиг

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Лекция 10. Тема № 6. «Особенности горячей деформации металлов и сплавов»

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

Холодная и горячая деформация

Нагрев для снятия остаточных напряжений