3.3. Влияние нагрева на структуру деформированного металла

До пластической деформации металл находился в равновесном состоянии 1 (рис. 3.10) с минимальным запасом свободной энергии. Б ольшая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту – металл нагревается. Система переходит в неравновесное состояние 2. Часть энергии, затрачиваемой при деформации на образование дефектов кристаллического строения, накапливается в металле. Плотность дислокаций в зависимости от степени деформации увеличивается от 10⁶–10⁸ до 10¹² см^-2. Система переходит в метастабильное состояние 3, устойчивое при комнатной температуре. При преодолении барьера Е для диффузии точечных дефектов и движения дислокаций, система возвращается в равновесное состояние.

В озврат. При низких температурах нагрева протекает первая стадия возврата – отдых. Форма деформированных зерен не изменяется. Происходит уменьшение концентрации собственных точечных дефектов (сток к границам, взаимоуничтожение) и дислокаций. Краевые дислокации одного знака отталкиваются (рис. 3.11,а), противоположного – притягиваются (рис. 3.11,б). Из «лишних» полуплоскостей образуется одна нормальная плоскость (рис. 3.11,в).

У ничтожение краевых дислокаций противоположного знака, расположенных в параллельных плоскостях скольжения, сопровождается образованием вакансий (рис. 3.12), так и междоузельных атомов. Оценки показывают, что доля дефектов, образованных таким «геометрическим путем», пропорциональна величине пластической деформации с коэффициентом пропорциональности порядка 10^–4. Винтовые дислокации противоположного знака также взаимно уничтожаются. В металле остаются хаотично расположенные дислокации одного знака. Отдых уменьшает на 10–15 % твердость и прочность. При дальнейшем нагреве (Т> 0,3 Т_пл), помимо скольжения действует другой механизм перемещения дислокаций – переползание. При присоединении вакансий дислокация перемещается на десятки постоянных решетки (рис. 3.13).

П ри высоких температурах нагрева протекает вторая стадия возврата – полигонизация. В результате скольжения и переползания дислокаций зерно делится на субзерна – полигоны (рис. 3.14), свободные от дислокаций. Дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки. Полигонизация редко развивается в меди и ее сплавах, но выражена в сплавах алюминия и железа. При деформировании сплавов сложного состава полигонизация приводит к возникновению стабильной ячеистой структуры. Дислокации скапливаются на границах ячеек. Ячеистая структура сохраняется при значительном нагреве, сплавы не рекристаллизуются. При нагреве деформированных металлов процессы отдыха происходят всегда.

Рекристаллизация. Первичная рекристаллизация – образование зародышей новых зерен и их последующий рост. Зародыши возникают на участках с повышенной плотностью дислокаций, где сосредоточены наибольшие искажения решетки – у границ деформированных зерен, блоков (рис. 3.15). Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает зародышей. Зародыши растут путем диффузии атомов от деформированных участков. Для начала первичной рекристаллизации необходимы два условия.

1 . Критическая степень деформации металла (например, для алюминия – 2 %, для железа и меди – 5 %). При меньшей степени деформации зарождения новых зерен не происходит.

2. Температурный порог рекристаллизации – наименьшая температура, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен:

Т_рек =   Т_пл.

Коэффициент  зависит от чистоты металла и степени деформации. Чем больше степень холодной деформации металла, тем ниже температура рекристаллизации. Для металлов технической чистоты  = 0,3–0,4, для твердых растворов  = 0,5–0,6. Для алюминия, меди и железа технической чистоты Т_рек равна соответственно: 100, 270 и 450 °С.

Первичная рекристаллизация снимает наклеп. Далее происходит рост зерен – собирательная рекристаллизация. Зерна укрупняются за счет слияния и объединения границ. Свободная энергия металла уменьшается вследствие уменьшения поверхностной энергии. Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост отдельных зерен по сравнению с другими: формируются зерна-гиганты и зерна-карлики.