Влияние наклепа на свойства металлов

Обновлено: 16.05.2024

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация делится на упругую и пластическую.

Упругая деформация. Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов.

Пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел или порог упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины (τ_к).

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 18. Эта схема дает наглядное представление о смещении атомов в соседних плоскостях при сдвиге на одно межатомное расстояние.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям, и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов где величина сопротивлению сдвигу (τ_к) наименьшая, а сама величина τ значительна. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Процесс скольжения не следует, однако, представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Рис. 18. Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига:

а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г – напряжения, обусловившие появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д – образование двойника.

Рис. 19. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а – схема движения дислокации; б – краевая дислокация в кристаллической структуре; в – дислокация переместилась на дно; г – на два межатомных расстояния в решетке под влиянием приложенного напряжения; д – выход дислокации на поверхность и появление сдвига.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций, что показано на рис. 19. Чтобы дислокация из исходного положения 1 переместилась в соседнее положение 14, не нужно сдвигать всю верхнюю половину кристалла на одно межатомное расстояние.

Достаточно, чтобы произошли следующие перемещения атомов: атом 1 в положение атома 2, атом 3 — в 4, атом 5 — в 6, атом 7 — в 8, атом 9 — в 10, атом 11 — в 12, атом 13 — в 14, атом 15 — в 16 и атом 17 — в 18. Также смещаются атомы не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости.

Незначительные перемещения атомов в области дислокации приводят к перемещению дислокаций на одно межатомное расстояние.

Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил τ, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующих сил получила название текстуры (текстура деформации).

Наклеп. С увеличением степени деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_в, σ_т, НВ и др.), повышаются, а способность к пластической деформации — пластичность (δ и φ) уменьшается. Это явление роста упрочнения получило название наклепа. Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов).

Все дефекты кристаллического строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет, увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение. В результате деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов, например железа, повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

Свойства пластически деформированных металлов.

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства — электросопротивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плотность дислокаций возрастает до 10 9- 10 12 см -2 ) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации (рис. 20).

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость;σ_в; σ_0,2; σ_упр) и понижаются пластичность и вязкость (δ; φ; а_н). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, после 40%-ной деформации механические свойства меняются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности (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 (предел прочности) удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести — в 3-7 раз при максимально возможных деформациях. 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 наклепываются аустенитная сталь; алюминиевая бронза с 7% А1; никель; а алюминий упрочняется незначительно).

Упрочнение при наклепе широко используют для повышения механических свойств деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает сопротивление усталости. Понижение пластичности при наклепе используют для улучшения обрабатываемости резанием вязких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).

Влияние нагрева на структуру и свойства холоднодеформированных металлов.

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. 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, рекристаллизация — при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма кристаллов при возврате не изменяются.

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

Возврат. Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две возможные 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 вследствие перемещения атомов 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 вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла. Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).

Полигонизация — это процесс разделения деформированных зерен металла на полигоны — области с малой плотностью дислокаций. Эти области называются блоками. Процесс полигонизации протекает в интервале температур отдых — рекристаллизация и заканчивается созданием блочной структуры.

Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упругих искажений кристаллической решетки и более полному восстановлению физических свойств металла. Механические свойства его при этом изменяются незначительно. Текстура сохраняется, хотя и становится блочной.

Вслед за возвратом протекает рекристаллизация, заключающаяся в зарождении и росте новых неискаженных равноосных зерен (рис. 21).

При первичной рекристаллизациив деформированной среде зарождаются и растут равноосные зерна до тех пор, пока полностью не исчезнет текстура, созданная деформацией. Зародышами зерен являются отдельные энергетически выгодные блоки (центры рекристаллизации). После исчезновения текстуры металл приобретает равновесную мелкозернистую структуру.

Суммарная протяженность границ мелких зерен велика. Граничные зоны зерен представляют собой тонкие (в несколько атомных слоев) сильно искаженные области, так как здесь сопрягаются кристаллические решетки различно ориентированных стыкующихся зерен, сюда стекаются точечные дефекты и дислокации. Поэтому граничные зоны зерен и характеризуются высокими значениями энергии (поверхностной энергии), которая уменьшается за счет округления зерен и дальнейшего их роста путем фронтального перемещения граничных зон растущих зерен и поглощения мелких.

Атомы из мелких зерен диффундируют через границу в растущие зерна, отчего первые постепенно исчезают, а вторые разрастаются. В результате число зерен структуры металла уменьшается, а их размеры увеличиваются. Рост одних равноосных зерен за счет исчезновения других представляет собой собирательную рекристаллизацию.

Температура начала рекристаллизации зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала и содержания примесей в нем. Определено, что

где Т_рекр— абсолютная минимальная температура рекристаллизации; α — коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы; Т_пл — абсолютная температура плавления данного вещества.

Минимальная температура рекристаллизации железа и других металлов технической чистоты определяется по формуле А. А. Бочвара:

Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного (текстурованного) материала до температуры выше Т_рекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (в печи), называется рекристаллизационным отжигом.

Рис. 21. Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочненного деформацией.

Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной (обычно на 200. 300°С), так как чем выше температура нагрева, тем быстрее протекает рекристаллизация, характеризующаяся, в частности, уменьшением твердости металла. Для железа и низкоуглеродистой стали температура рекристаллизационного отжига принимается равной 650. 700°С.

Для того чтобы в металле при нагреве протекала рекристаллизация, необходима его хотя бы минимальная предварительная холодная обработка (критическая степень деформации ε_кр для железа равна 5. 6 %, для малоуглеродистой стали — 7. 15, для меди — около 5, для алюминия — 2. 3 %).

При рекристаллизации после деформирования материала с ε_кр зерно растет в нем особенно сильно и может увеличиться по сравнению с исходным во много раз. Выбирая степень деформации и температуру рекристаллизационного отжига, можно получить в металле зерно нужного размера. Рекристаллизационный отжиг широко используют для управления формой и размерами зерен, текстурой и свойствами металлов и сплавов.

Создание текстуры и наклеп возможны только в случае холодного деформирования металла. Обработка давлением называется холодной, если она совершается при температурах ниже температуры рекристаллизации, горячей — при температурах выше температуры рекристаллизации.

При горячей обработке давлением одновременно с пластической деформацией металла протекает рекристаллизация, которая продолжается и после деформации до тех пор, пока температура металла не станет ниже Т_рекр. При этом в металлах не возникает текстура и они не наклепываются. Такая обработка широко используется при производстве горячекатаного стального полуфабриката различного профиля.

Технология наклепа и нагартовки металла

Наклеп – это явление, которое сопровождается повышением прочности и твердости металла. Понятие наклепа и нагартовки поверхности. Деформациионое упрочение и его вредное воздействие на структуру металла. Оборудование для наклепа и нагартовки.

Наклеп – это явление, при котором повышается прочность и твердость металлического изделия. Изменения свойств достигается за счет пластической деформации. Наклеп металла протекает при высокой температуре, значение которой недостаточно для рекристаллизации заготовки. Данное явление может быть как вредным, так и полезным.

Нагартовка – это технологический процесс, который преследует те же цели, что и наклеп. Основное отличие заключается в том, что последнее явление может происходить в результате осознанных или неосознанных действий. Например, в процессе механической обработки резанием с высокой скоростью и глубиной прохода поверхность приобретает избыточную прочность, что повышает хрупкость изделия. Нагартовкой являются только полезные деформационные упрочнения, применение которых имеет умышленный характер.

Суть и назначение наклепа и нагартовки

В результате пластической деформации происходят изменения в кристаллической решетке и фазовом составе материала. Процесс нагартовки металла сопровождается образованием дефектов во внутренней структуре изделия. При этом свойства материала изменяются следующим образом:

повышается стойкость к механическим повреждениям (упрочнение металла);
увеличивается твердость материала;
снижается сопротивление динамическим нагрузкам;
теряется пластичность;
происходит снижение устойчивости к пластическим деформациям с противоположным знаком – это называется эффектом Баушингера.

Таким образом, снижается предел текучести металла. Этот параметр определяет предельное напряжение на изделие, при котором оно начнет деформироваться пластически. Если степень нагрузки не превышает допустимого значения, после прекращения действия сторонних сил металл вернется в прежнее состояние.

Данный параметр особенно важен для нагартованной стали, которую используют в качестве основного материала в несущих конструкциях различных зданий и сооружений. Проект составляют с учетом предельных нагрузок на отдельные элементы и объект в целом.

Изучение структуры металла говорит о том, что после превышения предела текучести изделие получает деформационное упрочнение.

Для закалки поверхности наклепом используют специальное оборудование, которое будет рассмотрено ниже.

При воздействии на сталь и прочие ферромагнитные материалы наблюдается увеличение значения напряженности магнитного поля. Этот параметр называется коэрцитивной силой. При этом магнитная проницаемость изделия снижается.

Рассматриваемое явление помогает повысить эксплуатационные свойства пластичных металлов. При нагартовке алюминия и сплавов на его основе наблюдается существенное увеличение твердости и повышение предела текучести. Удобство работы с пластичными металлами заключается в том, что для холодной деформационной обработки можно использовать любой из нижеперечисленных способов:

прокатку;
глубокую вытяжку;
ковку;
отбортовку.

В каких случаях используют наклеп, а когда нагартовку

Физика данных процессов основана на деформационном упрочнении металлического изделия. Отличие заключается в следующем:

Наклепом называется любое деформационное упрочнение металла, эффект от которого может быть как положительным, так и отрицательным.
Нагартовкой считают только тот процесс, который применяют к изделию умышленно, с целью повышения эксплуатационных характеристик.

В технической документации, включая государственные стандарты, ANSI и ISO, отсутствует термин наклеп. Например, деформационно-упрочненный алюминий называют нагартованным. Для этого металла степень обработки обозначают буквой Н. За ней следует числовое определение, которое может содержать от одной до трех цифр.

Виды наклепа

Деформационное упрочнение металла классифицируют по процессам, которые активизируются в заготовке во время образования наклепанного слоя.

В случае образования новых фаз, отличающихся иным удельным объемом, явление называют фазовым. Если причина изменений – действие внешних сил, наклеп называют деформационным.

Существует две категории:

Центробежно-шариковый. На изделие воздействуют шариками, которые располагаются в гнездах обода установки. Ее принцип действия основан на вращении, когда под влиянием центробежной силы элементы оказывают механическое воздействие на обрабатываемую заготовку.
Дробеметный. Этот метод основан на использовании кинетической энергии. В качестве обрабатывающих элементов используют дробь диаметром до 4 мм, изготовленную из прочного материала: чугуна, стали или керамики. Согласно технологическим требованиям скорость потока может достигать 70 м/с.

Рассмотрим характерные изменения материала, которые происходят при деформационном упрочнении. В результате действия внешних сил элементы внутренней структуры начинают активно перемещаться, что приводит к искажению внутри кристаллической решетки. При этом зерна, ориентация которых носит беспорядочный характер, приобретают четкую структуру – наиболее прочная ось кристаллов будет располагаться вдоль направления деформирования.

Во время изучения явления некоторые специалисты высказали мнение, что под действием внешних сил зерна металла дробятся, а это приводит к измельчению структуры. На самом деле они лишь деформируются, сохраняя прежний объем.

Перенаклеп

Это явление, характеризующееся разрушением кристаллической решетки материала. Процесс сопровождается шелушением и отслаиванием частичек металла, что снижает эксплуатационные показатели поверхности.

Обычно перенаклеп происходит при нарушении технологических требований механической обработки изделий. Причиной служит избыточное давление в зоне контакта инструмента и заготовки.

Данный процесс необратим: свойства металла невозможно восстановить даже с помощью термообработки.

Разупрочнение

Процесс, при котором наблюдается снижение напряжения, требуемого для пластичного течения материала. Как правило, данное явление можно наблюдать в закаленных сортах стали при высокотемпературном отпуске.

Тепловые параметры разупрочнения зависят от степени наклепа. Негативные последствия данного явления необходимо учитывать при любых операциях с металлическими изделиями. Например, элементы кузова автомобиля изготавливают методом штамповки и соединяют с помощью точечной сварки, применение которой носит местный характер. При кузовном ремонте необходимо использовать оборудование, которое имеет наименьшую зону термического воздействия. В противном случае нагрев выше температуры рекристаллизации приведет к разупрочнению элемента.

Используемое оборудование

Процедура деформационного упрочнения поверхности используется в различных отраслях промышленности, в которых предъявляются повышенные требования к устойчивости поверхности к растрескиванию.

Существует широкий выбор оборудования для наклепа металла. Габариты и технические характеристики зависят от величины обрабатываемых изделий и объемов производства.

Полезный наклеп в промышленных масштабах выполняют на станках с высоким уровнем автоматизации. В основном используют дробеструйные установки.

Для снятия наклепа применяют температурный отпуск металла. Это способствует активизации процессов, которые возвращают материал в первоначальное состояние.

Наклеп металла – это процесс, который наряду с нагартовкой активно используют при изготовлении узлов и агрегатов в различных отраслях промышленности. А вы сталкивались с деформационным упрочнением поверхности? Как вы считаете, будет ли процесс наклепа и нагартовки востребован в обозримом будущем? Напишите ваше мнение в блоке комментариев.

Наклеп и нагартовка

Для того, чтобы увеличить прочность и твердость материалов, их подвергают тепловой обработке: нагревают и выдерживают в термопечи и охлаждают. Но этот метод не всегда подходит. В частности,его не используют для таких металлов, как медь и алюминий.

Тогда применяют нагартовку – технологическую обработку, которая включает изменение формы изделия посредством холодной пластической деформации. При этом твердость и прочность материала увеличивается, но падает пластичность – способность деформироваться без разрушения. Для некоторых сплавов нагартовка является единственно возможным способом увеличения прочности. К таким сплавам, например, относятся стойкие к коррозии сплавы хрома и никеля.
Исследование такого процесса, как нагартовка (наклеп металла) – одна из важных и интересных задач материаловедения. Например, в результате наклепа твердость поверхностных слоев стали увеличивается в несколько раз.

Термины наклеп и нагартовка часто считают практически синонимами, которые означают:

процесс изменения структуры материала;
повышение его твердости и прочности в результате этих изменений.

Но в части литературных источниках эти термины различают: под наклепом понимают процесс, который может быть как самопроизвольным, так и целенаправленным, а под нагартовкой – осознанный процесс, целью которого является упрочнение металла.

С этой точки зрения наклеп может быть процессом как полезным, так и вредным, а нагартовка – процесс, который может быть только полезным.

При повышении температуры способность к нагартовке заметно снижается. Например, нагартовка алюминия невозможна при температурах выше 200 °С. Эта температура (температура рекристаллизации) будет различной для разных веществ. Для легкоплавких металлов (к ним относятся цинк, свинец, олово) температура рекристаллизации может быть отрицательной.

Описание процесса

Рассмотрим сущность явления наклепа. Как известно, практически все металлы и их сплавы (например, алюминий или медь и их сплавы) имеют упорядоченную кристаллическую структуру.Но все не так просто. Они состоят из зерен, внутри которых расположение атомов является упорядоченным.Но сами зерна по отношению друг к другу располагаются хаотично, т. е. неупорядоченно.

При механической нагрузке в структуре вещества появляются дислокации (микроскопические дефекты). По мере увеличения нагрузки дислокации перемещаются и взаимодействуют друг с другом. Образуется другая структура.Она сопротивляется деформации, остающейся после снятия нагрузки (пластической деформации). Способность металла сопротивляться деформациям при этом увеличивается.

Но следует иметь в виду, что при наклепе пластические свойства материала становятся хуже. Например,пластичность низкоуглеродистой стали уменьшается в 5-6 раз. Также снижается устойчивость к сопротивлению пластической деформации при изменении ее знака (так называемый эффект Баушингера).

После наклепа состояние вещества является термодинамически нестабильным. Если пластичность необходимо увеличить, наклеп снимают рекристаллизационным отжигом, нагревая материал выше температуры рекристаллизации. При этом материал переходит в более стабильное состояние. Необходимость снятия наклепа возникает, например, в металлургии при производстве проволоки или ленты.

Плотность дислокаций при наклепе увеличивается, что приводит к уменьшению объемной плотности. При этом зерна металла вытягиваются по направлению сил, которые на них действуют. Такая ориентировка зерен называется текстурой деформации. Вследствие текстуры возникает анизотропия механических свойств металлов и сплавов.

Можно сделать следующие выводы:

после нагартовки или наклепа твердость и прочность материала увеличивается;
хрупкость материала тоже повышается.

В частности, нагартовка стали актуальная для изделий, в которых необходимо предотвратить поверхностное растрескивание и такое явление, как усталость металлов, что приводит к накоплению внутренних напряжений, возникновению трещини, в конце концов, к разрушению материала.

В основном, выделяют два вида наклепа:

фазовый, когда изменения кристаллической решетки вызваны фазовыми изменениями;
деформационный, когда изменения решетки вызваны внешними силами.

Формирование деформационного наклепа происходит при воздействии на обрабатываемую поверхность шариками или потока дробинок.

Оборудование для наклепа

Оборудование для процесса нагартовки алюминия и других металлов и сплавов достаточно разнообразно. В промышленности нагартовка полностью автоматизированный процесс, который выполняется на устройствах, контролируемых электроникой.

В частности, при формировании деформационного наклепа автоматически регулируется количество и скорость подачи дробинок.

Применение

В промышленности нагартовку применяют для придания прочности изделиям из нержавеющей стали, меди, алюминия и его сплавов. Это очень важно для машиностроения, поскольку различные узлы и механизмы часто работают в неблагоприятных условиях и со временем изнашиваются.

Нагартованная проволока из нержавеющей стали обладает повышенной твердостью и жесткостью и устойчива к колебаниям температуры. Такая проволока используется в машиностроении при изготовлении деталей различных видов автомобилей. Она также нашла широкое применение для изготовления очень прочных канатов, тросов и пружин. Еще нагартовку часто используют для производства нержавеющих лент.

Электропровода из нагартованной проволоки не подвержены коррозии и обладают длительным сроком службы.

Также нагартованная проволока может служить как материал для нержавеющих сеток, из которых делают перегородки.

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 r_кр, 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 (σ_В, σ_0,2, 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 Т_ПР.

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 Т_ПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4Т_ПЛ, для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)Т_ПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5–0,6)Т_ПЛ.

Наклеп и нагартовка металлов

Нагартовка или деформационное упрочнение – это важный технологический процесс, которые применяют для увеличения прочности и/или твердости металлов и сплавов, которые не могут быть упрочнены термической обработкой. Эта технологическая обработка включает изменение формы изделия методами холодной пластической деформации, то есть ввода в металл механической энергии [1]. В результате этой обработки металл становится прочнее тверже, но теряет пластичность, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние степени нагартовки на прочность, твердость и пластичность металлов [1]

В русскоязычной технической литературе наблюдается определенная путаница в определении и применении терминов «наклеп» и «нагартовка». Чаще всего эти термины отождествляются, применяются один вместо другого или оба сразу. Обычно наклепом (нагартовкой) называют как сам физический процесс изменения кристаллической структуры металла при его пластическом деформировании, так и результат этого процесса, то есть повышение прочности и твердости металла.

Предел текучести и наклеп

Одной из характеристик любого металла, в том числе, алюминия, является его предел текучести. Предел текучести металла – это напряжение, при котором этот металл начинает деформироваться пластически.

При напряжениях ниже этого предела текучести материал деформируется упруго. Если напряжения снимаются, то металл возвращается к своему первоначальному состоянию до приложения этих напряжений.

Обычно нагружение металла выше предела текучести является для него вредным. Недопущение напряжений выше предела текучести является главным требованием при проектировании деталей, изделий и сооружений.

Однако изучение изменения микроструктуры металла после деформации показывают, что механические свойства этого металла также изменяются. В частности, испытание на растяжение показывает, что металлический образец, который нагружался выше предела текучести обычно получает деформационное упрочнение или наклеп (рисунок 2).

Рисунок 2.1 – Увеличение предела текучести металла после его нагружения выше предела текучести

Что такое наклеп металла

Атомы, решетка, дислокации

Металлы и их сплавы, в том числе, алюминий и его сплавы, имеют кристаллическую структуру и состоят из большого количества зерен. Эти зерна имеют неправильную форму и различные размеры. В каждом зерне атомы упорядочены, но смежные зерна по-разному ориентированы относительно друг друга. В процессе холодной деформации структура зерен меняется за счет их фрагментации зерен, движения атомов и искажения атомной решетки.

Когда материал подвергается механическому нагружению, в его кристаллической структуре образуются микроскопические дефекты, которые известны как дислокации. Если нагрузки продолжают увеличиваться, эти дислокации начинают продвигаться и взаимодействовать между собой. Таким образом они образуют новую внутреннюю структуру, которая сопротивляется дальнейшей пластической деформации. Эта структура повышает предел текучести материала, то есть его способность сопротивляться прилагаемым усилиям. При этом пластические свойства материала снижаются. Одним из наиболее известных путей намеренного создания наклепа является холодная пластическая формовка деталей и изделий – холодная обработка металлов давлением.

Рисунок 2.2 – Нагартовка алюминия [6]

Типичными процессами холодной обработки металлов давлением являются:

холодная ковка (рисунок 2)
холодная прокатка (рисунок 3)
холодное прессование (экструзия) (рисунок 4)
волочение (рисунок 5)

Рисунок 3 – Ковка металла

Рисунок 4 – Прокатка металла

Рисунок 5 – Прессование металла

Рисунок 6 – Волочение металла

Уменьшение плотности металла

При наклепе металла его плотность уменьшается. Это происходит потому, что пластическая деформация приводит к нарушению порядка в размещении атомов, увеличение плотности дефектов и образование микропор. Уменьшение плотности означает увеличение удельного объема – объема единицы массы.

Остаточные напряжения

Наружный наклёпанный слой стремится расшириться, а внутренние слои его «не пускают» – в нем возникают сжимающие остаточные напряжения. Эти напряжения бывают очень полезными, так как способны замедлять зарождение и рост поверхностных усталостных трещин.

Полезный наклеп

Наклеп может быть желательным и нежелательным, полезным и вредным. Если наклеп металла является полезным, то при его изготовлении стремятся применять операции холодного пластического деформирования: холодную прокатку, волочение, обработку дробью, галтовку, накатку и тому подобное. Это особенно важно для металлов и сплавов, которые не способны упрочнятся термически. К этим материалам относятся низкоуглеродистые стали, некоторые алюминиевые сплавы, а также чистая медь. Когда эти материалы подвергаются сжатию, волочению, гибке или ковке, то напряжения, которые при этом возникают, приводят к возникновению в кристаллической структуре дислокаций, которые упрочняют металл. В этом случае применяют оба термина: и наклеп, и нагартовка.

Стандарты о наклепе и нагартовке

Отечественные, еще советские, стандарты – ГОСТы – применяют к полезно «наклепанным» металлическим изделиям, например, листам алюминиевых сплавов только термин «нагартованные» и совершенно не употребляют слова «наклеп» или «наклепанные». Можно видеть это, например, в ГОСТ 21631 на листы из алюминия и алюминиевых сплавов: «листы нагартованные», «листы полунагартованные».

Вредный наклеп

Нежелательный, вредный наклеп возникает, например, когда пластичные и мягкие металлы и сплавы подвергаются механической обработке резанием. Чрезмерно глубокие резы за один проход приводят с большой скоростью могут приводить к возникновению интенсивного наклепа с нежелательным увеличением прочности металла и его охрупчиванию. Это препятствует дальнейшей механической обработке детали, а может привести и к повреждению режущих инструментов. Другим примером вредного наклепа может служить повторяющееся нагружение детали с превышением предела текучести материала. При таком нагружении материал в критических сечениях может быстро наклепываться, терять свою пластичность и разрушаться. В подобных случаях явление деформационного упрочнения называют наклепом, но никогда не называют нагартовкой.

Когда «наклеп», а когда «нагартовка»?

Учитывая выше изложенное, делаем два «смелых», но естественных вывода.

Наклепом называется любое проявление деформационного упрочнения кристаллических материалов – полезное и вредное, умышленное и неумышленное.

Нагартовкой называется только полезное деформационное упрочнение изделий, которое умышленно применяют к изделиям с целью повышения их прочностных свойств. Иногда, может быть, и не умышленно, но всегда осознанно.

Что такое холодная деформация

Холодной пластической деформацией металлов считают пластическую деформацию при определенной температуре, после которой в металле возникает наклеп и он сохраняется неизменным неограниченно длительное время. По-научному это звучит так: температура холодной деформации для достижения эффекта нагартовки (наклепа) металла должна быть ниже температуры его рекристаллизации, то есть температуры, при которой на месте старых, деформированных и вытянутых, зерен металла начинают возникать и расти новые, недеформированные и округлые зерна. Обычно эта температура составляет половину от абсолютной температуры плавления этого металла или сплава. Однако на практике нагартовка металлов производится при комнатной температуре или при температуре не выше трети температуры плавления.

Что такое горячая деформация

В отличие от холодной деформации горячая деформация металлов и сплавов происходит при температуре, величина которой достаточна для того, чтобы рекристаллизация деформированной структуры металла происходила одновременно с пластическим деформированием. Обычно горячую деформационную обработку (обработку давлением) производят при температуре выше температуры рекристаллизации металла (обычно от 70 до 90 % абсолютной температуры плавления). После такой горячей обработки получают металл с благоприятной мелкозернистой рекристаллизованной структурой.

Деформируемые алюминиевых сплавов

С металлургической точки зрения все серии деформируемых алюминиевых сплавов разбиваются на две большие группы:

деформационно-упрочняемые сплавы
сплавы, упрочняемые термической обработки (старением).

Строго говоря, все металлы и сплавы могут деформационно упрочняться. Однако, в области металлургии алюминия, это наименование относится к сплавам только тех серий, которые не могут упрочняться термической обработкой, то есть старением.

Нагартовка деформационно-упрочняемых сплавов

Модификация структуры

К этим сплавам относятся все сплавы серий 1ххх, 3ххх и 5ххх, а также часть сплавов серии 8ххх. Их технологическая цепочка состоит из этапов горячей обработки давлением, за которыми, возможно, следуют этапы холодной обработки давлением с промежуточным или завершающим отжигом.

Деформационное упрочнение – нагартовка – включает модификацию структуры под воздействием пластической деформации. Это происходит не только в ходе производства полуфабрикатов при прокатке, правке растяжением, волочении и т, п., но также в ходе последующих производственных этапах, таких как формовка, гибка и других производственных операциях.

Рисунок 6.1 – Кривые нагартовки алюминиевого сплава 5083 [4]

Механические свойства

Деформационное упрочнение повышает механические прочностные свойства и твердость, но снижает пластичность (рисунок 6).

Рисунок 6.2 – Влияние деформационного упрочнения на механические свойства:
предел прочности при растяжении, предел текучести (0,2%) и относительное удлинение [3]

Уровень механических свойств, который может достигаться, зависит от легирующих элементов. Например, сплавы серии 5ххх, которые содержат большое количество магния, имеют более высокий потенциальный уровень механических свойств, чем у сплавов других серий: 1ххх, 3ххх и 8ххх. В результате всегда происходит постепенное повышение механических свойств, вплоть до той точки, за которой дальнейшая обработка становится трудной, если вообще возможной. В этом случае, если требуется дальнейшая пластическая деформация, не обходимо производить термическую обработку отжигом.

Cмягчающий отжиг

Упрочнение, которое возникло в результате холодной пластической обработки может быть устранено или смягчено путем отжига. В зависимости от комбинации длительность-температура, это умягчение может быть (рисунок 7):

частичным: это – cмягчающий или неполный отжиг;
полным: это – рекристаллизационный отжиг, в ходе которого образуется новая зеренная структура (рисунок (8).

Рисунок 7 – Изотермические кривые отжига сплава 5754 [3]

Рисунок 8 – Изменение твердости и структуры при отжиге [3]

Временные и температурные параметры являются специфическими для каждого сплава и зависят от степени деформационного упрочнения, которому материал подвергался перед отжигом.

Как и у других металлов и сплавов, существует критическая зона деформационного упрочнения (рисунок 9.1). Если отжиг применяется к материалу в состоянии, которое находится в этой критической зоне, то может происходить бесконтрольный рост зерна. Это делает последующие операции формовки, такие как волочение и гибки более трудными. После деформации поверхность металла может иметь вид, который называют «апельсиновая корка».

Рисунок 9.1 – Изменение размера зерна при отжиге в зависимости от степени нагартовки [3]

Уровень механических свойств полуфабриката и, в частности, компромисс между пределом прочности и пластичностью (относительным удлинением), контролируются параметрами деформационной обработки и последующими операциями отжига (промежуточными или заключительным).

Необходимо отметить, что при одинаковом уровне предела прочности уровень пластичности будет выше в нагартованном и частично отожженном металле (H2X), чем в «чисто» нагартованном металле (H1X) (рисунок 9.2). Поэтому состояния с частичным (смягчающим) отжигом являются более предпочтительными, когда максимальная способность к формовке является главным фактором, например, при глубокой вытяжке [3].

Рисунок 9.2- Различие нагартованных состояний H14 и H24 [5]

Нагартовка термически упрочняемых сплавов

Для термически упрочняемых сплавов нагартовка может быть дополнением к уровню прочности, которое достигается путем упрочнения за счет выделения упрочняющей фазы при их термической обработке.

В случае полностью полностью упрочненных термической обработкой сплавов увеличение их прочности путем дополнительно холодной деформации после старения сравнительно невелико, кроме очень высоких степеней нагартовки. Часто эта возможность ограничена низкой способностью. сплавов в этом состоянии к пластической деформации. Основное применение этой технологии относится к некоторым прессованным и холоднотянутым изделиям, таким как проволока, прутки и трубы, которые подвергаются холодному волочению после термической обработки для увеличения прочности и повышения качества поверхности [2].

Влияние температуры нагартовки

Характеристики нагартовки алюминиевых сплавов сильно зависят от температуры. Деформационное упрочнение значительно сильнее происходит при криогенных температурах, чем при комнатной температуре. При повышенных температурах характеристики нагартовки зависят как температуры, так и от скорости деформации. Деформационное упрочнение снижается с повышением температуры обработки до тех пор, пока температура не достигнет величины, выше которой не происходит нагартовки из-за динамического возврата и рекристаллизации. Динамический возврат приводит к формированию зубзеренной структуры, которая аналогична той, которая возникает при нагреве предварительно наклепанного металла. Субзеренная структура также до некоторой степени повышает прочность алюминиевых сплавов [2].

3. Corrosion of Aluminium / Christian Vargel – ELSEVIER, 2004.

4. Aluminium in Commercial Vehicle – European Aluminium Association – 2011

Читайте также: