По условиям проведения и по назначению можно выделить несколько разновидностей рекристаллизационного отжига.

а. Полный рекристаллизационный отжиг, обычно назы­ваемый просто рекристаллизационным, ■— одна из наиболее широко применяемых операций термообработки.

Рекристаллизационный отжиг используют в промыш­ленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наиболь­шей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия накле­па) и как окончательную (выходную) термическую обра­ботку (для придания полуфабрикату или изделию необхо- ■ димых свойств). Рекристаллизационный отжиг сталей, j цветных металлов и сплавов применяют после холодной \ прокатки листов, лент и фольги, холодного волочения труб, | прутков и проволоки, холодной штамповки и других видов/ холодной обработки давлением.

В производстве полуфабрикатов и изделий из цветных ¹ металлов и сплавов рекристаллизационный отжиг как са- ; мостоятельная операция термообработки распространен го- \ раздо шире, чем в технологии производства стали. Объяс- j няется это тем, что по сравнению со сталями холодной ! обработке давлением подвергают несравненно большую ¹ долю цветных металлов и сплавов.

Оптимальный режим отжига можно выбирать по гра-, фикам температурной зависимости свойств (см. ’рйс. ^у47 и 48). Так, для восстановления пластичности меди можно рекомендовать часовой отжиг при 500—700 °С (см. рис. 48). Верхняя температурная граница отжига выбрана ниже температуры перегрева (~800°С), а нижняя—с некоторым превышением /“ (~400°С), так как при определенной «геометрической» степени деформации изделия отдельные его участки деформированы неравномерно. В участках с меньшей степенью деформации рекристаллизация закан­чивается при более высоких температурах.

При выборе режима отжига можно использовать диаг­раммы рекристаллизации (типа 42), избегая получе­ния очень крупного зерна и разнозернистости. При этом следует хорошо представлять себе те ограничения, которые связаны с использованием диаграмм рекристаллизации.

О качестве отожженного материала не всегда можно судить только по механическим свойствам. Другим показа­телем в отдельных случаях служит размер рекристаллизо­ванного зерна. Так, например, крупнозернистость является причиной появления апельсиновой корки — характерной шероховатости изделий после глубокой вытяжки, растяжки и т. п.

В крупнозернистом материале неоднородность пласти­ческой деформации разных зерен выражена особенно силь­но. Неоднородность деформации крупных зерен на свобод- нои поверхности изделия и проявляется в виде апельсино­вой корки. Прн мелком зерне такой шероховатости не видно.

Скорость нагрева до температуры отжига чаще всего не имеет значения. Но в отдельных случаях необходим ус­коренный нагрев. Так, при медленном нагреве до темпера­туры отжига холоднодеформированных полуфабрикатов из алюминиевого сплава марки АМц вырастают очень круп­ные зерна, обусловливающие шероховатость поверхности после правки и снижающие относительное удлинение. Круп­ные зерна вырастают из-за того, что в случае медленного нагрева первичная рекристаллизация начинается при сравнительно низких температурах и идет из малого числа центров. После быстрого нагрева до высокой температуры (например, при нагреве в селитровой ванне до 500 °С) сра­зу развивается интенсивная первпчная рекристаллизация из_многих центров и зерно получается мелким.

J Скорость охлаждения с температуры рекристаллизаци- i онного отжига металлов и однофазных сплавов не сказыва­ется на их свойствах. Полуфабрикаты из медных сплавов ■.-' для лучшего отделения окалины иногда охлаждают в во­де. Если же сплав способен упрочняться при закалке и ста­рении, то скорость охлаждения с температуры рекристал- лпзационного отжига иногда приходится регламентиро­вать. Так, в термически упрочняемом алюминиевом сплаве В95 при отжиге после холодной деформации, кроме ос­новного процесса — рекристаллизации, может протекать также побочный процесс — частичная закалка (подкалка) с последующим старением. В результате при отжиге не дос­тигается необходимое смягчение материала. Поэтому сплав В95 следует медленно охлаждать вместе с печью с темпе­ратуры рекристаллизационного отжига (380—430 ^СС) до температуры 150 °С (со скоростью не более 30 К/ч).

б. Рекристаллизационный отжиг для получения ультра- мелкого зерна в последнее время стал приобретать все большее значение. Ультрамелкими называют зерна разме­ром менее — 10 мкм. Такие мелкие зерна соизмеримы с субзернами и отличаются от них только высокоугловыми границами. Ультра мелкозернистую структуру должны

иметь листы, предназначенные для сверхпластической фор­мовки — выдувки под небольшим газовым давлением де­талей сложной конфигурации. Отжиг для получения ульт­ра мелкого зерна проводят при очень большом числе цент­ров рекристаллизации, причем в сплаве должны также иметься какие-то стопоры, препятствующие быстрому ук­

рупнению рекристаллизованных зерен во время сверхпла- стической формовки, производимой при высоких темпера- ! турах. В некоторых алюминиевых сплавах, например типа В95, эти условия легко реализовать.

Л

Рис. 55. Схема обработки для получе­ния ультра мелкозернистой структуры в листах сплава В95:

5 мин) служат местами за­рождения рекристаллизо­ванных зерен (см. § 7, п. 1).

П

1 — закалка; 2 — гетерогенизационный отжиг; 3—прокатка; 4—рекристалли­зационный отжиг

в. Неполный рекристаллизационный отжиг проводят \

прн температурах выше f”, но ниже с целью частичного \ устранения наклепа. Он позволяет, например, производить полунагартованные листы из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов. Структура получается частично ре- ; кристаллизованной, а частично полигонизованной.

г. Текстурирующий отжиг применяют для получения выгодной анизотропии свойств в трансформаторной стали, железоникелевых сплавах с прямоугольной петлей гисте­резиса и некоторых других материалах. Выбор оптималь­ного режима отжига здесь — наиболее сложная задача.

д. Зонный (градиентный) рекристаллизационный отжиг используют для формирования сильно вытянутых столбча­тых зерен. Сравнительно узкая зона нагрева до темпера­тур рекристаллизации перемещается вдоль холодного изде­лия, в котором таким образом создается резкий градиент

температур. Кристаллы растут в направлении движения горячей зоны, «поглощая» на' движущемся фронте рекрис­таллизации все новые зерна. В этом направлении в рекрис- таллизованном изделии будет резко уменьшено число по­перечных межзеренных границ и могут улучшиться некото­рые свойства, например жаропрочность.

Градиентный рекристаллизационный отжиг после кри­тической деформации в лабораторной практике служит для выращивания крупных монокристаллов.

Глава III

Отжиг, уменьшающий напряжения

При обработке давлением, литье, сварке, термообработке, шлифовании, обработке резанием и других технологичес­ких процессах в изделии могут возникать внутренние на­пряжения, которые взаимно уравновешиваются внутри те­ла без участия внешних нагрузок. В большинстве случаев внутренние напряжения полностью или частично сохраня­ются в металле после окончания технологического про­цесса и поэтому называются остаточными напряжениями.

В данной главе рассматриваются только напряжения, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей. Такие напряжения называют также зо­нальными или напряжениями I рода, чтобы отличить их от напряжений II рода (микронапряжений), уравновешиваю­щихся в объеме отдельных кристаллитов или их частей.

Отжиг, уменьшающий напряжения, — это термическая обработка, при которой главным процессом является пол­ная или частичная релаксация зональных остаточных на­пряжений.

§ 15. Возникновение и роль остаточных напряжений

Причинами возникновения внутренних макронапряжений (напряжений I рода) являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в раз­личных точках тела.

Следующий простой пример поясняет возникновение ос­таточных напряжений прн неодинаковой пластической деформации в разных участках металла (рис. 56). Предста­вим себе, что полоса металла прокатывается в бочкообраз­ных валках, диаметр которых посередине значительно боль­ше, чем по концам. Центральные слои полосы получают большее обжатие, чем крайние. Если бы заготовка была составлена, например склеена, .из набора прутков, то каж­дый из этих прутков получил бы вытяжку в соответствии со своим обжатием: центральные прутки должны были бы вытянуться сильнее, чем крайние. Но полоса металла в дей­ствительности является монолитным телом, в котором цен­тральные и крайние слои не могут изолированно одни от других вытягиваться на разную длину. Поэтому централь­ные слои, которые стремятся сильнее вытянуться, будут ис­пытывать сдерживающее влияние крайних слоев и окажут­ся недовытянутыми. Иначе говоря, в центральных слоях возникнут сжимающие внутренние напряжения. Крайние слои, наоборот, будут под действием центральных слоев вытянуты на величину больше той, которая определяется их обжатием. Поэтому в крайних слоях возникнут растя­гивающие внутренние напряжения (см. рис. 56). Напря-

5. /

   	/
   /Х+-	liiX
   /г* 1 =	; Ч\
   if 1 1 к
   4—1 s < —V
   ii | ....j.—^
   \| 1 ■-( г1
   	1
   1	\ 1J

6. ^Направление прокатки

7. Рис. 56. Возникновение остаточных напряжений в полосе из-за разно­го обжатия центральных и крайних слоев прн прокатке в бочкообраз­ных валках:

8. 1 — полоса до прокатки; 2—полоса после прокатки; 3 — центральный слой полосы в случае свободной вытяжкн (без взаимодействия с со­седними слоями)

жения разного знака взаимно уравновешиваются внутри полосы и сохраняются в металле после окончания про­катки.

Удельный объем меняется при термическом сжатии и расширении, кристаллизации расплава, фазовых превра­щениях в твердом состоянии и изменении химического со­става поверхностных слоев. Если бы термическое расши­рение или сжатие, кристаллизация расплава и фазовые превращения в твердом состоянии проходили одновремен­но и в одинаковой степени по всему объему тела, то внут­ренние напряжения не возникали бы. Но при нагреве и ох­лаждении всегда имеется градиент температур по сечению тела, и поэтому указанные выше изменения удельного объ­ема в разных точках металла протекают неодинаково, в результате чего возникают внутренние напряжения.

Различают термические и фазовые (структурные) внут­ренние напряжения, которые возникают соответственно в результате термического сжатия или расширения и фазо­вых превращений в твердом состоянии. Внутренние на­пряжения могут возникнуть практически при любой обра­ботке, причем одна технологическая операция может при­вести к созданию разных по своему происхождению оста­точных напряжений: термических, фазовых и напряжений от неоднородной пластической деформации. Например, при уторячей обработке давлением, кроме напряжений, образо­вавшихся из-за неоднородной пластической деформации, могут возникнуть термические, а также фазовые напряже­ния, если горячедеформированный сплав охлаждается уско­ренно и в нем протекает фазовое превращение. При литье, сварке и закалке возникают термические и фазовые напря­жения. Различные по своему происхождению остаточные напряжения аглебраически складываются и очень часто дают весьма сложные эпюры, j В соответствии с названием технологического процесса различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения сказываются на поведении из­делия при обработке, эксплуатации и даже при хранении на складе.

Остаточные напряжения, алгебраически складываясь с рабочими напряжениями, могут их усиливать или ослаб­лять.

Как правило, наиболее опасны растягивающие ос­таточные напряжения, так как они, складываясь с растя­гивающими напряжениями от внешних нагрузок, приводят к разрушению, хотя эти нагрузки могут быть и невелики.

Особенно опасны растягивающие напряжения при трех­осном растяжении. Как известно, напряженное состояние при трехосном растяжении — наиболее «жесткое», так как касательные напряжения, вызывающие пластическое тече­ние, чрезвычайно малы или равны нулю, вследствие чего создаются благоприятные условия для хрупкого разруше­ния. Остаточные напряжения особенно опасны также в из­делиях из малопластичных сплавов и таких, которые ста­новятся хрупкими при понижении температуры.

При больших остаточных напряжениях разрушение часто происхо­дит от незначительных по величине нагрузок (особенно ударных). Так, например, трещины в стальных отливках могут возникать при очистке их пневматическим молотком и даже от сквозняка зимой (из-за добав­ления термических напряжений к остаточным). Крупные слитки полу­непрерывного литья из малопластичных алюминиевых сплавов через не­

которое время после окончания литья могут разрушаться от случайных небольших сотрясений или ударов; освобождающаяся при разрушении упругая энергия так велика, что одна часть слитка весом в сотни кило­граммов с сильным треском отрывается и отлетает на расстояние в не­сколько метров.

Остаточные растягивающие напряжения в сварных конструкциях иногда приводят к серьезным авариям. Разрушения сварных мостов и цельносварных судов часто связаны с проявлением больших остаточных напряжений, близких к разрушающим. Известны случаи, когда цельно­сварные суда нз-за остаточных растягивающих напряжений разруша­лись под воздействием незначительных внешних факторов, напрнмер от удара ломом прн очистке палубы от льда. Проблема остаточных напря­жений в сварных конструкциях привлекла к себе особенно большое внимание после того, как несколько цельносварных судов разломилось пополам во время плавания нли стоянки.

Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных слоях осо­бенно вредны для деталей, работающих при знакопеременной нагрузке, так как такие напряжения способствуют усталостному разрушению (на­помним, что усталостная трещина зарождается на поверхности изделия).

Вредное действие остаточных напряжений сказывается в повыше­нии общей химической активности металла. Особенно вредно усиление межкрнсталлнтной коррозии под действием растягивающих остаточных напряжений (сезонное растрескивание латуни).

В металле с остаточными напряжениями существуют области упругих деформаций разного знака. Если разре­зать изделие или срезать (а также стравить) с него поверх­ностный слой, то становится возможным упругое снятие макронапряжений. На измерении возникающих при этом упругих деформаций основаны механические методы опре­деления величины и знака остаточных напряжений (напря­жения вычисляют по деформациям).

Остаточные напряжения могут вызвать искажение фор­мы (коробление) и изменение размеров изделия во время его обработки, эксплуатации или хранения на складе. Короб­ление появляется в результате деформаций изгиба и круче­ния, возникающих при нарушении равновесия внутренних сил и моментов. Особенно частые и сильные коробления появляются при обработке резанием, так как удаление слоя металла нарушает равновесие остаточных напряжений. На­пример, если от полосы на рис. 56 отрезать с одной сторо­ны слой, в котором действуют растягивающие напряжения, то полоса выгнется в плоскости чертежа из-за нарушения равновесия растягивающих и сжимающих остаточных на­пряжений.

Самопроизвольные изменения размеров и коробление при хранении деталей происходят из-за постепенного пере­распределения остаточных напряжений при их релакса­ции. Скорость релаксации (уменьшения) напряжений зави­сит от их исходного уровня: чем он выше, тем быстрее

идет релаксация. Так как в разных участках сечения изде­лия величина остаточных напряжений различна, то из-за не­одинаковой скорости их релаксации при комнатной темпе­ратуре нарушается исходное равновесие внутренних сил и

моментов. При этом остаточные напряжения перераспреде­ляются и устанавливается новое состояние равновесия. Величина коробления тем больше, чем больше различие в степени релаксации остаточных напряжений в разных уча­стках сечения и чем меньше жесткость изделия при изгибе. Иногда после сборки станков появляются недопустимые за­зоры или натяги в сопряженных деталях, ранее точно при- . гаанных одна к другой.