Название: Механические свойства. Пластическая деформация и рекристаллизация - методические указания ( В. М. Никитенко)

Жанр: Машиностроительный

Просмотров: 787


2. влияние нагрева на структуру и свойства металла

 

Состояние деформированного металла является термодинамически не устойчивым. Переход в более стабильное состояние с меньшей свободной энергией требует определенной термической активации. Поэтому при нагреве деформированного металла происходят релаксационные процессы, приводящие к снижению упругой энергии, накопленной при эластическом деформировании. Протекающие при нагреве процессы сопровождаются практически полным восстановлением показателей физических и механических свойств металла и условно разделяются на три температурные стадии: отдых, полигонизацию и рекристаллизацию.

Отдых и полигонизацию называют возвратом, эти стадии характеризуются лишь частичным восстановлением свойств.

Отдых при нагреве деформированных металлов происходит при низких температурах нагрева (0.1–0.2 Тпл). Уменьшение упругих напряжений на этой стадии обусловлено перераспределением и снижением точечных дефектов атомной структуры (вакансий и межузельных атомов).

Полигонизация    развивается    с    повышением    температуры    нагрева (0.2–0.4 Тпл). Освободившиеся от примесных атмосфер дислокации начинают перемещаться, при этом их плотность заметно снижается. Возникает ячеистая полигональная структура, которая при определенных условиях в сплавах сложного состава способствует увеличению длительной прочности.

На  стадии  возврата  видимых  изменений  в  микроструктуре  не наблюдается (размер и форма деформированных зерен сохраняются). Происходит восстановление электросопротивления, повышение плотности металла и частичное уменьшение твердости и прочности [6].

Рекристаллизация  происходит  при  дальнейшем  повышении температуры (0.3–0.7 Тпл). В деформированной матрице формируются и растут новые рекристаллированные зерна, отличающиеся от матричных более совершенной решеткой и значительно меньшей плотностью дислокаций. Зародыши рекристаллизации возникают в местах максимальных искажений кристаллической решетки  часто  на  границах  деформированных зерен.  Рост этих центров за счет матрицы реализуется миграцией (перемещением) большеугловых границ, при этом граница движется в направлении большей плотности дислокаций и оставляет за собой объем металла с относительно совершенной кристаллической решеткой. С исчезновением деформированных зерен завершается первичная рекристаллизация или рекристаллизация обработки (рис. 3).

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

а – наклепанный металл; б, в – соответственно начало и конец рекристаллизации;

г – собирательная рекристаллизация

 

Рекристаллизация происходит лишь после деформации, степень которой превосходит определенную минимальную величину, которая называется критической  степенью  деформации  (обычно  2–15  \%).  Температура  начала

н

рекристаллизации Тр

определяется зависимостью

 

Т

 

р

 
н = α Тпл.,      (2)

 

где α – коэффициент, зависящий от чистоты металла, наличия избыточных фаз, степени предварительной деформации, продолжительности нагрева (0.2–0.3 для металлов высокой частоты; 0.4 для технически чистых металлов; 0.5–0.8 для сплавов);

Тпл. – температура плавления (по диаграмме состояния «железо-цементит»).

Значительное влияние          на        температуру   рекристаллизации     оказывают

примеси, легирующие элементы и дисперсные частицы в структуре.

При первичной рекристаллизации снимается наклеп, созданный при пластическом деформировании, повышается пластичность. Разупрочнение объясняется снятием искажений кристаллической решетки, уменьшением плотности дислокации с 1012 до 106 см-2; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов, восстанавливаются все физические и механические свойства [7].

н

 
Температуру начала рекристаллизации после значительной деформации (ε = 50 \%) и последующего отжига с определенным временем выдержки (не менее одного часа) обычно называют температурным порогом рекристаллизации (Тр  ).

н

 
Для полного снятия наклепа и обеспечения полноты протекания процесса применяют   рекристаллизационный   отжиг   –   нагрев   до   температур,   на

100–200 ºС  превышающих  Тр  ,  с  последующим  медленным  охлаждением. Целью отжига может быть: понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной величины зерна.   Такой   опыт   часто    используется   в    качестве   межоперационной

смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях.

После завершения первичной рекристаллизации при дальнейшем повышении температуры происходит смещение одних  рекристаллизованных

зерен за счет соседних, также рекристаллизованных зерен, путем миграции большеугловых  границ   (собирательная  рекристаллизация).  Основной движущей силой этого процесса является уменьшение зернограничной энергии за счет сокращения протяженности границ зерен и стремления к уравновешиванию зернограничного напряжения стыкующихся границ. Граница смещается в направлении центра кривизны. Увеличение размеров зерен приводит к снижению пластичности.

Таким  образом,  холодной  деформацией называют  такую  деформацию,

которую  проводят  при  температурах  ниже  температуры  рекристаллизации.

Рекристаллизация холоднодеформированного металла происходит при последующем нагреве и называется статической.

Тем самым горячая деформация осуществляется при температурах выше

р

 
Т н, поэтому в процессе горячей деформации в металле протекают параллельно два процесса – упрочнение и разупрочнение. Так как центры первичной рекристаллизации   оформляются      в      процессе      самой      деформации,

рекристаллизацию в этом случае называют динамической. После горячей пластической деформации рекристаллизация завершается, и наклепа металла не происходит.   Горячая   пластическая   деформация,   как   правило,   повышает

плотность литейной стали, что обусловливается заполнением пор и раковин. Горячая деформация включает обработку давлением в широком диапазоне температур и скоростей деформации [4-5].