2.3.3. Наклеп

Наклепом називається зміцнення металу під час холодної пластичної деформації. Наклеп підвищує твердість і міцність, але знижує пластичність. Зміцнення і окрихчування металу мож­на пояснити зростанням кількості дефектів кристалічної будо­ви (дислокацій, вакансій, міжвузлових атомів), довкола яких є пружні спотворення кристалу. В результаті опір переміщенню дислокацій значно підвищується. Що більша деформація, то силь­ніше змінюються властивості неклепаного металу. Зазначимо,

95

що метали з ГЦК коміркою наклепуються сильніше, ніж мета­ли з ОЦК коміркою. Нерідко наклеп використовують як само­стійний спосіб обробки для зміцнення виробів. Наприклад, мі­цність сталевого дроту, виготовленого холодним волочінням, можна довести до дуже високого рівня.

У неклепаному металі акумулюється 5... 10 % загальної кіль­кості енергії, що була витрачена на деформацію. Нагромаджена в металі потенціальна енергія зосереджується біля дефектів у вигляді енергії пружної деформації. Наклепаний метал енерге­тично нестабільний. Тому будь-яка зовнішня активація і най­перше теплова стають причиною його переходу до стабільнішо­го стану. Цьому сприяють дифузійні процеси, які посилюються з підвищенням температури.

2.3.4. Відмова

Відновою називають зменшення густини дефектів кристаліч­ної будови наклепаного металу під час нагрівання без помітних змін структури, видимої в оптичному мікроскопі. Метал пере­ходить до рівноважнішого стану, що супроводжується незнач­ним зниженням твердості й міцності та деяким зростанням плас­тичності. Віднова має дві стадії: відпочинок і полігонізацію.

Відпочинок відбувається під час незначного нагрівання, коли термодинамічна температура металу не перевищує 0,2 Т_П (де Т_п— термодинамічна температура плавлення металу). Тоді знижуєть­ся кількість точкових дефектів, дислокацій, частково знімаються залишкові напруження і спотворення кристалічної будови. Пе­регрупування дислокацій під час відпочинку не призводить до утворення нових малокутових границь.

Полігонізація (багатокутник (гр.)) як друга ста­дія віднови полягає у нагріванні металу до температури (0,2...0,3) Т_п з утворенням в межах окремого кристала фрагмен­тів і блоків (полігонів), розділених малокутовими границями. Під час нагрівання до температури полігонізації рухливість дислокацій зростає. Невпорядковані дислокації з протилеж­ними знаками всередині зерен під час зіткнення взаємно зни­щуються, а дислокації одного знака утворюють малокутові гра­ниці фрагментів і блоків (рис. 2.3.5, б). Такі блоки дуже дріб-

ні й вільні або майже вільні від дислокацій. З підвищенням температури й збільшенням тривалості витримки внаслідок міграції дислокаційних границь зливаються сусідні фрагмен­ти та блоки.

Полігонізація рідко розвивається в міді та її сплавах, зате активніша в алюмінії, залізі, молібдені та їх сплавах. Полігони виявляють велику стійкість під час нагрівання: вони практич­но не піддаються рекристалізації й зберігаються майже до тем­ператури плавлення металу.

2.3.5. Рекристалізація

Рекристалізація — процес зародження та росту нових не-деформованих зерен під час нагрівання наклепаного металу до заданої температури. Рекристалізація відбувається при вищій температурі, ніж віднова. Є дві стадії рекристалізації: первин­на (рекристалізація обробки) і збиральна.

Первинна рекристалізація полягає у зародженні в деформо­ваній структурі недеформованих зерен та їх подальшому рості. Рушійним фактором первинної рекристалізації є енергія, аку­мульована в наклепаному металі, який намагається зменшити її й перейти до стабільнішого стану структури з нових недеформо­ваних зерен. Перші зародки нових зерен виникають у найбільш деформованих зонах, переважно на границях початкових зерен і в смугах ковзання. Цей процес можна значно інтенсифікува­ти, збільшуючи температуру й деформацію металу.

Зерна ростуть внаслідок міграції атомів із деформованих зон до зародків новоутворених зерен. Первинна рекристалізація закінчується повною заміною початкових зерен новими, переваж­но з іншою кристалографічною орієнтацією. Новоутворені зерна мають невелику кількість лінійних і точкових дефектів. У ре­зультаті майже зовсім позбуваються наклепу, міцність і твердість металу істотно зменшуються, а пластичність зростає (рис. 2.3.6).

Найнижча температура, при якій починається рекристалі­зація, називається температурним порогом рекристалізації Трек.. Зазначена температура не є фізичною сталою даного мета­лу, як, наприклад, температура плавлення. Температурний по­ріг залежить від ступеня попередньої деформації, часу нагрі­вання, чистоти металу, легувальних елементів тощо. Величина порогу знижується з підвищенням ступеня деформації й трива­лості нагрівання.

Термодинамічна температура порогу рекристалізації Т пов'язана з термодинамічною температурою плавлення Т_П металу залежністю:

Г =аГ . (2.3.4)

рек n ^v '

Ha коефіцієнт а найбільше впливає чистота металу і пластич­на деформація. Для металів технічної чистоти а = 0,4 і знижу-

ється зі збільшенням пластичної деформації. Для особливо чи­стих металів а = 0,1...0,2, а для твердих розчинів а = 0,5...0,6 і більше. Нижче подаємо наближені значення температури поча­тку рекристалізації деяких металів, розраховані за формулою (2.3.4):

Під час незначної попередньої пластичної деформації рек­ристалізація не відбувається. Та мінімальна деформація, вище якої починається первинна рекристалізація, є критичною де­формацією. Наприклад, критична деформація для алюмінію становить близько 2 %, для заліза й міді — близько 5 %. У металах із незначною попередньою деформацією утворюються найбільші рекристалізовані зерна, а в міру її зростання розміри рекристалізованого зерна зменшуються.

Щоб позбутися наклепу, метал нагрівають до температури, що перевищує поріг рекристалізації. Такий вид термічної оброб­ки називають рекристалізаційним відпалом. Його застосову­ють для надання металові високої пластичності перед холод­ною обробкою тиском, а також як кінцеву обробку після пластичної деформації. Температура рекристалізаційного від­палу для низьковуглецевих сталей коливається в межах 600...700 °С, для латуней і бронз — 560...700 °С, для сплавів алюмінію — 350...450 °С.

Рекристалізація сплавів, що складаються з різнорідних крис­талів (фаз), відбувається складніше порівняно з рекристалізацією сплавів з однорідними кристалами. У двофазових сплавах знач­ну роль відіграють розмір кристалів другої фази й відстань між цими кристалами. Зі зменшенням відстані між ними збільшуєть­ся опір переміщенню дислокацій, через що рекристалізація галь­мується. Відповідно підвищується температура рекристалізації й збільшується час, необхідний на її завершення. Нові зерна зароджуються переважно на границях різнорідних кристалів.

Після закінчення первинної рекристалізації триває ріст но­воутворених зерен, особливо, коли збільшується час витримки

99

Рис. 2.3.7. Повна діаграма рекристалізації заліза

або температура. Складно чітко визначити межу між первин­ною та збиральною рекристалізаціями.

Ріст одних рекристалізованих зерен за рахунок сусідніх рекристалізованих зерен називається збиральною рекристалі­зацією.

Вирішальним для збиральної рекристалізації є поверхнева енергія новоутворених зерен, яка після закінчення процесу знижується, оскільки сумарна довжина границь великих зерен значно менша, ніж дрібних. Зазначимо, що після первинної рекристалізації утворені зерна дрібні, хоч і не однакові за роз­мірами. Різниця поверхневих енергій сусідніх дрібних і вели­ких зерен сприяє збиральній рекристалізації. Великі зерна ростуть за рахунок дрібних внаслідок переходу атомів через гра­ниці зерен. Ріст зерен особливо активізується з підвищенням температури.

Залежність середньої площі поверхні границь рекристалізо­ваних зерен від температури й ступеня деформації наочно про­стежується на діаграмі рекристалізації (рис. 2.3.7). Хоч діагра­ма не враховує впливу багатьох факторів: домішок, швидкості нагрівання тощо, все ж таки в першому наближенні вона дає змогу вибирати такий режим рекристалізаційного відпалу, при якому надмірний ріст зерен металу неможливий.