Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов

Обновлено: 07.07.2024

Влияние пластической деформации на их структуру и свойства. Метод. указания. Казань: Каз. гос. энерг. ун-т, 2006.

Рассмотрены основные теоретические вопросы влияния пластической деформации и рекристаллизации на структуру и механические свойства, а также применение методов микро- и макроскопического анализов для исследования структуры металлов. Приведены примеры решения задач.

Указания предназначены для студентов технических вузов.

Влияние пластической деформации металлов и сплавов на их структуру и свойства

Цель работы: Изучение влияния пластической деформации на структуру и механические свойства металлов.

Теоретические положения.

1. Механизм пластической деформации. Деформацией называется изменение размеров или формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения ионов металлов (катионов, атомных остовов, элементов структуры) от положений равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями катионов металла. В основе пластических деформаций лежат необратимые смещения ионов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. При пластической деформации линейная связь между напряжением и деформацией обычно отсутствует. Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей, работающих под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.

Пластическая деформация твердых тел в основном характеризуется скольжением и двойникованием. Скольжение или смещение отдельных частей кристалла совершается под действием касательных напряжений. Оно осуществляется в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой катионов металла, где сопротивление сдвигу наименьшее. Металлы, имеющие большое количество таких плоскостей и направлений (с кубической кристаллической решеткой), являются наиболее пластичными. Кристаллическая решетка гексагональная плотноупакованная обладает низкими пластическими свойствами.

При двойниковании происходит смещение катионов металла, располагающихся в плоскостях, параллельных плоскости двойникования. Двойникование сопровождает скольжение, а плоскости двойникования совпадают с плоскостями скольжения.

Расчетные и экспериментальные значения по касательным напряжениям, отвечающим началу пластической деформации твердого тела, значительно расходятся. При этом исходят из предпосылки, что процесс скольжения осуществляется одновременным смещением всех катионов металла одной кристаллографической плоскости относительно катионов смежной, параллельной плоскости.

Предположение о смещении только группы атомных остовов данной плоскости получило экспериментальное подтверждение. Для такого рода смещений в кристаллической решетке необходимы не точечные, а линейные дефекты, вызывающие нарушение правильного расположения ионов металла на сравнительно значительных расстояниях. Таким образом, пластическая деформация осуществляется за счет скольжения отдельных несовершенств кристаллической решетки – дислокаций (рис.1).

Рис.1. Схема краевой дислокации

Искажение кристаллической решетки происходит из-за нахождения в ней экстраплоскости, что приводит к образованию вблизи дислокации силового поля с повышенным уровнем потенциальной энергии. Под действием сдвигающего напряжения краевая дислокация передвигается, при этом катионы экстраплоскости занимают места катионов кристаллической решетки, которые в свою очередь образуют свободную плоскость справа. Пробег дислокации от одной боковой поверхности к другой дает смещение части монокристалла на одно межатомное расстояние. Так осуществляется пластическая деформация (рис.2)

Рис.2. Схема перемещения краевой дислокации

Процесс пластической деформации металлов сопровождается ростом числа дефектов кристаллической решетки, искривлениями плоскостей скольжения, появлением обломков кристаллитов в плоскостях скольжения, структурными превращениями по плоскостям скольжения и другие. Все это препятствует перемещению дислокаций, способствует их накоплению и взаимодействием друг с другом. В результате металл упрочняется. Явление упрочнения металла под действием пластической деформации называется наклепом. Упрочнение сопровождается снижением пластичности металла. Кроме того, при пластическом деформировании в связи со скольжением зерна разбиваются на отдельные блоки. Причем кристаллическая решетка металла вблизи границ блоков и зерен искажается, что является дополнительным фактором упрочнения металла.

При больших степенях деформации зерна металла вытягиваются в направлении действия приложенных сил. При этом образуется волокнистая или слоистая структура. Еще большая степень деформации приводит к возникновению текстуры деформации, которая характеризуется определенной ориентацией зерен по отношению к прилагаемым нагрузкам. Волокнистая структура и текстура деформации приводят к анизотропии.

2. Влияние пластической деформации на свойства металлов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, предел прочности, предел текучести, предел упругости) и понижаются пластичность и вязкость. Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформации 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 удается повысить твердость и временное сопротивление в 1,5–3 раза, а предел текучести в 3-7 раз. Металлы с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой.

С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое сопротивление, понижаются плотность, магнитная проницаемость и остаточная индукция. Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений – как растягивающих, так и сжимающих.

Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, алюминиевых сплавов и другие).

3. Возврат и рекристаллизация. Металл, подвергнутый пластическому деформированию, характеризуется термодинамическим неустойчивым состоянием. Нагрев может вернуть ему исходные свойства. Если температура нагрева меньше 0,2…0,3 температуры плавления, то протекает процесс возврата. При этом улучшаются структурное состояние и пластичность металла, а так же уменьшается плотность дислокаций, но наклеп не снимается и механические свойства практически не меняются.

Рекристаллизация, т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах. Между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления металла (см. Приложение) существует простая зависимость:

где Т_рек – абсолютная температура рекристаллизации; Т_пл – абсолютная температура плавления; а – коэффициент, зависящий от чистоты металла. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Для технически чистых металлов коэффициент примерно равен 0,4.

Вследствие тепловой активности катионов металла образуются новые равноосные зерна (рис.3). Зародыши зерен возникают в участках с повышенной плотностью дислокаций, постепенно они увеличиваются в размере за счет перехода к ним атомных остовов от деформированных участков металла. Новые зерна обладают меньшей плотностью дислокаций, имеют неискаженную кристаллическую решетку. Поэтому после рекристаллизации свойства металла возвращаются к исходным. При рекристаллизации существенно снижаются прочностные характеристики ( ), пластичность возрастает ( ), снимаются внутренние напряжения. Разупрочнение объясняется снятием искажения решетки и резким уменьшением плотности дислокаций. Наименьшую температуру начала рекристаллизации t_пр, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше теоретической Т_рек на 200-300 ○ С. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Этот процесс называется собирательной рекристаллизацией. При температуре выше t ′ пластичность может уменьшаться, что объясняется сильным ростом зерна.

Рис.3 Влияние нагрева на механические свойства и изменение структуры деформационно-упрочненного металла.

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение. Если степень деформации меньше критической, то зарождение новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2-8 %), для алюминия она близка к 2 %, для железа и меди – к 5%.

Степень предшествующей деформации влияет на Т_рек. Чем больше степень деформации и чем более искажена структура, тем менее она устойчива, возрастает ее стремление принять более устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации.

От степени пластической деформации и от температуры, при которой происходила рекристаллизация, зависит размер новых зерен и, соответственно, пластичность и вязкость металлов. Величина зерна тем меньше, чем больше степень деформации. При данной степени деформации, с повышением температуры и при увеличении продолжительности рекристализационного отжига, величина зерна возрастает.

4. Холодная и горячая деформация. Сравнивая температуры дефор-мации и рекристаллизации, можно говорить о горячей или холодной деформации. Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. Процесс холодной деформации сопровождается наклепом металла, так как малые температуры не обеспечивают разупрочнения металлов. Механические свойства металлов при холодной деформации изменяются значительно: возрастает прочность и уменьшается пластичность.

Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей. Получаемое в процессе горячей деформации упрочнение тут же снимается за счет рекристаллизации, что снижает сопротивление деформации и повышает пластичность металлов. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже Т_рек сохраняет наклеп.

5. Определение структуры материала методами макро- и микро-скопического анализа. Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в определении строения материала (макроструктуры) невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз). В этом случае можно одновременно наблюдать большую поверхность заготовки (детали), что часто позволяет судить о ее качестве и определять условия предшествующей обработки, влияющие на сплошность материала, а также характер и качество обработки, применявшейся для придания детали окончательной формы и свойств (обработки давлением, сварка, резание). Макроанализ дает лишь качественную оценку химической неоднородности, но он позволяет выявить участки с большим или меньшим содержанием разных примесей и, таким образом, оценить качество металла в целом.

Выявляемая при макроанализе химическая неоднородность металлических материалов позволяет характеризовать их макростроение, зависящее от способа изготовления деталей – литьем, ковкой или резанием. В литой детали выявляется характерное дендритное строение. В результате деформации дендриты и пластичные включения вытягиваются в направлении течения металла. С увеличением степени деформации дендриты удлиняются до тех пор, пока не станут похожими на веретена или нити. В результате образуется волокнистая структура.

Выявление волокнистой структуры позволяет установить способ деформации, принятый для изготовления деталей. По расположению волокон можно также установить, применялась ли обработка резанием для изготовления изделий из деформированной заготовки. Поскольку ударная вязкость, пластичность и сопротивление разрушению выше в образцах, вырезанных вдоль волокон, стремятся изготовлять изделия таким образом, чтобы волокна в них не перерезались, т.е. следовали конфигурации изделия.

Микроскопический анализ (микроанализ) дает возможность определить размеры и форму кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот и другие характеристики микроструктуры. Такие мелкие структурные составляющие можно наблюдать с помощью оптического (размером до 2·10 -7 м) или электронного (размером до 2·10 -10 м) микроскопа.

Микроанализ позволяет наблюдать за изменениями микроструктуры при нагреве наклепанного металла. При возврате микроструктура существенно не изменяется: они остаются вытянутыми с большим числом сдвигов. При нагреве до температуры несколько выше порога рекристаллизации (но незначительно) образуются новые рекристаллизованные зерна небольшого размера. При более высоких температурах микроструктура характеризуется укрупнением зерен путем слияния мелких.

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла

Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения трёх видов:

1) изменяются форма и размеры зёрен. До деформации металл имеет равноосную структуру. В процессе деформации зёрна вытягиваются вдоль плоскостей скольжения и структура становится волокнистой (рис. 3.7.) Кроме того, при большой степени деформации происходит дробление зёрен;

До деформации После пластической деформации

Рис. 3.7. Схема изменения формы и размеров зёрен при пластической деформации

2) после значительной деформации возникает преимущественная пространственная ориентация зёрен, которая называется текстурой деформации (рис. 3.8). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации [1]. Текстуру не следует отожествлять с волокнистой структурой. Волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии металла;

Рис. 3.8. Схема влияния деформации прокаткой на структуру

поликристаллического металла: зёрна вытягиваются вдоль

направления прокатки и возникает текстура (стрелки соответствуют

одному и тому же кристаллографическому направлению)

3) происходят изменения в субструктуре. Одновременно с изменением формы зерна происходит формирование субзёрен и увеличение угла разориентировки между ними. Возрастает плотность дислокаций до 10 9 …10 12 см –2 .

С увеличением степени холодной деформации прочностные характеристики увеличиваются, а пластичность уменьшается. Это явление называют наклёпом или нагартовкой. Упрочнение металла при пластической деформации объясняется увеличением количества дефектов кристаллического строения. Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение новых дислокаций, в результате чего повышается сопротивление деформации и уменьшается пластичность металла. Металлы с ГЦК решёткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решёткой.

Разрушение металлов

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.

Разрушение может быть хрупким или вязким. Механизм зарождения трещин одинаков при хрупком и вязком разрушении. Чаще всего микротрещина возникает из-за скопления дислокаций перед препятствием (границы зёрен, всевозможные включения и т.д.).

При своем росте трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации. На создание этой зоны затрачивается дополнительная энергия (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема образования трещин

Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой размерами этой зоны. При вязком разрушении размеры этой зоны больше и на её образование затрачивается много энергии. Поэтому скорость распространения трещины небольшая. При хрупком разрушении зона пластической деформации небольшая и скорость распространения трещины достигает 2500 м/с. Поэтому хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.

С точки зрения микроструктуры разрушение может быть транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она происходит по границам зёрен. При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким [2]. Хрупкое и вязкое разрушения имеют различные изломы. После хрупкого разрушения излом кристаллический блестящий. Вязкое разрушение, как было отмечено выше, происходит после значительной пластической деформации, которая искажает форму зерен. Поэтому излом – волокнистый матовый.

Хрупкому разрушению способствуют следующие основные факторы: 1) понижение температуры; 2) повышение скорости деформации; 3) концентраторы напряжений; 4) структурные факторы (размер зерна, выделение хрупких фаз по границам зёрен и т.д.); 5) повышение прочности, как правило, увеличивает склонность к хрупкому разрушению; 6) размеры изделия, чем они больше, тем больше вероятность хрупкого разрушения.

Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью. Интервал температур, в котором происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому, называют порогом хладноломкости.

Для определения порога хладноломкости проводят сериальные испытания на ударную вязкость. Температура, при которой работают изделия из металлов, должна значительно превышать порог хладноломкости.

Изменения структуры и свойств металлов при пластической деформации. Рекристаллизация

Пластическую, которая остается после окончания действия приложенных сил.

При пластическом деформировании меняется не только внешняя форма металлического тела, но и его структура, а это влечет за собой изменение механических свойств.

Под действием внешних усилий первоначально округлые зерна вытягиваются в направлении пластического течения и при больших степенях деформации могут принять форму волокон

Рекристаллиза́ция— процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зёрен (кристаллитов) поликристалла за счёт других. Скорость рекристаллизации резко (экспоненциально) возрастает с повышением температуры.

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов

Как уже отмечалось, при обработке металлов давлением одновременно могут протекать процессы упрочнения и разупрочнения. Поэтому окончательные результаты влияния деформации на структуру и свойства металлов зависят от того, какие из этих процессов будут влиять сильнее. В связи с этим С. И. Губкин предложил различать горячую, неполную горячую, неполную холодную и холодную деформации.

Процесс горячей деформации протекает при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, поэтому в результате нее металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна заменяют все деформированные зерна, и искажения кристаллической решетки отсутствуют.

Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью рекристаллизации, которая не успевает закончиться во время деформации, так как ее скорость ниже, чем скорость деформации. Наряду с рекристал-лизованными зернами часть зерен в металле остается деформированной, и металл частично упрочняется. В нем могут возникать значительные остаточные напряжения, способные привести к разрушению материала. Этот вид деформации наиболее вероятен при температурах, незначительно превышающих температуру рекристаллизации. Кроме того, вероятность этого вида деформации увеличивается с возрастанием скорости деформации. Неполной горячей деформации следует избегать (особенно при обработке литого металла), так как она приводит к резкому снижению качества заготовок. Этот вид деформации часто наблюдается в сплавах с малой скоростью рекристаллизации (например, в некоторых многофазных алюминиевых или магниевых сплавах). Поэтому целесообразно проводить деформирование таких сплавов с низкими скоростями.

Неполная холодная деформация - это деформация, при которой рекристаллизация не происходит, но успевает пройти процесс возврата, который устраняет неравновесные избытки точечных дефектов, и перестраивается дислокационная структура, формирующаяся при деформации. В результате возврата плотность дислокаций снижается. Температура неполной холодной деформации располагается выше температуры начала возврата, а скорость деформации не превышает скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, а интенсивность упрочнения понижается. Пластичность металла после этого вида деформации выше, чем у металла, деформированного при отсутствии возврата, а прочностные свойства несколько ниже.

При холодной деформации разупрочняющие процессы (возврат и рекристаллизация) не происходят, и металл после нее только упрочняется. Температурный интервал холодной деформации расположен ниже температуры начала возврата, приблизительно от 0 до (0,2-0,25)7’пл.

Согласно приведенной классификации холодная и горячая деформация не связаны с конкретными температурами нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация легкоплавкого чистого свинца при комнатной температуре относится к горячей деформации, так как температура рекристаллизации этого металла расположена в области отрицательных температур.

В обработке металлов давлением горячую пластическую обработку металлов применяют чаще, хотя она дороже и сложнее холодной. Применение горячей обработки оправдано повышением пластичности металлов и снижением усилий на деформацию. Благодаря горячей обработке давлением можно деформировать крупногабаритные заготовки и снижать мощность деформирующего оборудования. Холодная деформация используется обычно на конечных стадиях получения изделий для обеспечения точности размеров и высокого качества поверхности.

Изменение структуры металла при прокатке

Рис. 2.9. Изменение структуры металла при прокатке

Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, включающие изменение формы кристаллитов, их кристаллографической пространственной ориентировки и внутреннего строения каждого кристаллита. Основное изменение формы кристаллитов заключается в вытягивании их в направлении главной деформации растяжения, тогда структура становится волокнистой (рис. 2.9). Кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентировку, возникает текстура деформации. Это одно из важнейших следствий кристаллографической направленности скольжения в каждом зерне по определенным плоскостям и направлениям пространственной решетки.

Важнейшее изменение внутреннего строения каждого кристаллита при холодной деформации - увеличение плотности дислокаций. Она может возрасти на 5-6 порядков. Кроме того, растет концентрация вакансий, появляются участки с локальной разориентировкои кристаллической решетки. При не слишком низкой энергии дефектов упаковки образуются микрополосы и формируется ячеистая структура.

Из-за волокнистости структуры и наличия текстуры деформации хо-лоднодеформированный металл характеризуется анизотропией свойств. Поэтому для оценки механических свойств изделий, полученных холодной деформацией, необходимо испытывать образцы, вырезанные как вдоль, так и поперек направления деформации. В связи с этим в таких изделиях различают долевые, поперечные, а в объемных полуфабрикатах еще и высотные свойства. Обычно показатели пластичности и ударная вязкость поперечных образцов ниже, чем долевых. Причина в том, что при вырезке поперек волокон возрастает число межзеренных границ, обогащенных примесями, которые менее пластичны, чем тело зерна.

Пластическая деформация металлов

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.

Пластическая деформация

Влияние пластической деформации на структуру и механические свойства металлов и сплавов

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Различают упругую деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, и пластическую, которая остается после окончания действия приложенных сил.

При пластическом деформировании меняется не только внешняя форма металлического тела, но и его структура, а это влечет за собой изменение механических свойств. Под действием внешних усилий первоначально округлые зерна вытягиваются в направлении пластического течения и при больших степенях деформации могут принять форму волокон

Рис1 . Структура металла до деформации (а) и после (б)

Происходят изменения и во внутреннем строении каждого зерна, которое представляет собой совокупность огромного числа элементарных кристаллических ячеек и содержит дефекты кристаллического строения в виде вакансий, инородных атомов и дислокации. Наибольшее влияние на изменения в структуре и свойствах металлов оказывают дислокации. Пластическая деформация осуществляется путем скольжения одних атомных плоскостей относительно других, для чего затрачивается энергия внешних сил. Если в плоскости скольжения имеются дислокации, то затраты энергии на деформирование снижаются в десятки раз, т.к. благодаря им перескок огромного числа атомов, находящихся в плоскости скольжения, из своих узлов в соседние совершается не одновременно, а последовательно (эффект домино). Пластическое течение в этом случае осуществляется легко, пластичность металла высокая. В процессе деформирования происходит размножение дислокации за счет работы источников Франка-Рида, вследствие чего повышается их плотность ρ - суммарная длина дислокации в единице объема (см/см 3 ). Если в отожженном металле плотность дислокации составляет ρ≈10 6 – 10 8 см -2 , то в холоднодеформированном при больших степенях деформаций она может достигать значения ρ= 10 12 см -2 . При такой плотности дислокациям становится тесно, они блокируют друг друга и их подвижность многократно снижается. По этой причине снижается пластичность металла и растет его прочность (рис. 2).

Рис. 2. Влияние пластической деформации на механические свойства сплава АМг5 (при t=20 в С)

Это явление получило название наклеп. При наклепе металл поглощает часть (10-15%) энергии, затраченной на деформирование, становится энергетически более напряженным. Этим объясняется изменение его физических и химических свойств:

понижение коррозионной стойкости, повышение электросопротивления.

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

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

При нагреве пластически деформированного металла сообщаемая ему тепловая энергия повышает амплитуду колебаний атомов, вследствие чего повышается их диффузионная подвижность. При невысоком нагреве (0, 2 - 0,3 Тпл) за счет активизации процессов самодиффузии происходит перераспределение точечных и линейных дефектов в каждом зерне. Часть из них перемещается на границы зерна, часть аннигилирует, а часть перестраивается, образуя дислокационные стенки, т. е. границы субзерен. Уменьшение общей плотности дефектов строения, снижение внутренних напряжений сопровождается незначительным (на 10 - 15% от наклепанного) снижением прочностных свойств при одновременном повышении пластичности. Заметных изменений микроструктуры при таком нагреве не происходит (рис. 13. 3).

При более высоком нагреве (0,3 - 0,4 Тпл) поисходит резкое изменение микроструктуры и механических свойств. На базе вытянутых в направлении деформирования зерен (волокон) зарождаются и вырастают новые равноосные зерна с меньшим количеством дефектов. Это явление носит название рекристаллизации. Размер рекристаллизованных зерен значительно зависит от степени предшествующей пластической деформации. Как видно на рис. 13.4, он может оказаться больше или меньше первоначального. Объясняется это явление тем, что при малых (5 - 15%) деформациях возникает мало зародышей рекристаллизации и зерна вырастают очень крупными. Такую степень деформации называют критической (ε_кр). При дальнейшем увеличении степени деформации размер рекристаллизованных зерен уменьшается. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Мелкозернистый металл обладает повышенной прочностью и вязкостью (стойкостью к удару). Если степень деформации очень мала (меньше ε_кр), малы искажения решетки, исходные границы между зернами не разрушены и рекристаллизации не происходит.

Во время рекристаллизации происходит снижение плотности дислокации до первоначального (10 6 - 11 8 см -2 ) уровня и высвобождается накопленная в процессе холодной пластической деформации энергия. Наклеп практически полностью снимается, и пластичность металла восстанавливается (рис. 3). Наименьшую температуру начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Для технически чистых металлов она составляет около 0, 4 Тпл, для очень чистых металлов до 0,1 - 0, 2 Тпл, а для сплавов возрастает до 0, 5 - 0, 6 Тпл. Чтобы обеспечить полноту снятия наклепа и высокую скорость процесса рекристаллизации, деформированный металл нагревают на 150 - 200 градусов выше порога рекристаллизации. Термическая обработка, которая проводится с целью снятия наклепа и восстановления пластичности деформированного металла называется рекристаллизационным отжигом

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

Рис. 3. Схема изменения свойств и структуры наклепанного металла при нагреве:

I - возврат; П - первичная рекристаллизация;

Ш - собирательная рекристаллизация; IV - вторичная рекристаллизация;

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

0 10 20 30 40 50 60

Относительная деформация, %

Рис. 13. 4. Влияние степени холодной деформаций на величину зерна при рекристаллизации:

α₀ - размер исходного зерна

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

Читайте также: