2. Изменение внутреннего строения зерен

До 10 % работы, затраченной на холодную деформацию, поглощается металлом (остальная ее часть рассеивается в виде теплоты). Накопленная в металле энергия «задержи­вается» в виде энергии дефектов кристаллической решетки, образующихся при пластической деформации, а также в виде энергии упругой деформации при возникновении ос­таточных напряжений (о них см. в гл. III).

Важнейшее изменение внутреннего строения каждого кристаллита при холодной деформации — увеличение плот­ности дислокаций (отношения суммарной длины дислока­ций к объему металла). У хорошо отожженного поликри- сталлического металла плотность дислокаций равна 10⁶— 10® см^-2, при холодной деформации на несколько процентов она возрастает до 10⁹—10¹⁰ см^-2, а при сильной деформации (на 30—40 % и более)—до Ю^п—10¹² см^-2. Следовательно, плотность дислокаций при холодной обра­ботке давлением может возрасти на пять — шесть поряд­ков (!).

При пластической деформации возрастает и концентра­ция вакансий, генерируемых порогами скользящих винто­вых дислокаций.

В процессах формирования структуры при отжиге хо­лоднодеформированного металла исключительно важную роль играют разного типа и происхождения локальные из­менения ориентировки кристаллической решетки, возника­ющие в результате пластической деформации. К настоя­щему времени накоплены весьма подробные сведения о таких изменениях ориентировки внутри зерен поликри- сталлического материала после обработки давлением со средними и большими обжатиями, представляющие боль­шой практический интерес. Эти изменения ориентировки кристаллической решетки рассмотрены ниже.

Ячеистая структура

У большинства металлов уже при небольших степенях де- формациии (5—10%) начинает формироваться ячеистая структура: дислокации так перераспределяются в объеме зерна, что их сплетения образуют размытые стенки (гра­ницы), окружающие области, внутри которых плотность

дислокаций заметно меньше, чем в стенках (рис. 9). Сред­ний размер таких ячеек составляет примерно 0,5—2 мкм, _а толщина их стенок на порядок меньше. С увеличением: степени деформации в области средних и больших дефор­маций размер ячеек мало меняется, а плотность дислока­ций в их размытых границах возрастает.

Из-за избытка дислокаций одного знака в стенке сосед­ние ячейки разориентированы на углы до I—2°. Направле­ние разворота на границах между разными соседними ячейками разное, и поэтому в целом при ячеистой структу­ре не получается макроскопическое изменение ориентиров­ки кристаллита.

Н

Рис. 9. Ячеистая структура хромоцир­кониевой броизы (0,38 % Сг, 0,07 % Zr) после растяжения на 5 %. Элект­ронная микрофотография, фольга. X12000 (В. М. Розенберг, А. И. Но­виков)

ет корреляции меж­ду ячеистой структурой в объеме зерна и линия­ми скольжения — следа­ми выхода дислокаций на предварительно отпо­лированную поверхность металла. Расстояние ме­жду линиями скольже­ния на порядок меньше размера ячеек дислока­ционной субструктуры.

Этот и другие факты указывают на то, что ячеистая структура воз­никает в результате ре­лаксационных процессов перераспределения дис­локаций в объеме кри­сталлита в условиях, ко­гда скольжение дисло­каций по мере роста их плотности затрудняется.

При образовании ячеи­стой структуры дисло­кации перераспределя­ются с обязательным участием поперечного скольжения. В сплавах с очень низкой энергией дефектов упаковки (а- латунь с 30 % Zn, нержавеющая аустенитная сталь и др.) поперечное скольжение столь затруднено, что ячеистая структура не возникает. В таких материалах растянутые дислокации образуют плоские скопления в своих плоско­стях скольжения.

Деформационные и переходные полосы

В поликристаллическом материале каждое зерно деформи­руется под действием приложенных извне нагрузок при одновременном сложном взаимодействии с окружающими его зернами. При этом соседние участки одного зерна мо­гут быть вынуждены поворачиваться по-разному (в проти­воположных направлениях или в разной степени в одном направлении). В результате соседние участки внутри одно­го зерна, могут оказаться взаимно развернутыми на десят­ки градусов. Например, в поликристаллическом алюминии при обжатии 40 % в пределах одного зерна наблюдались разориентировки До 50°.

Участки, внутри которых ориентировка меняется незна­чительно, но которые сами развернуты на большие углы по отношению к соседним аналогичным участкам того же кристалла, называют деформационными полосами. В алю-

Рис. 10. Вытянутые вдоль направления прокатки деформационные по­лосы (ДП) и расположенные под углом 30—40° к направлению про­катки полосы сдвига (ПС) в сплаве алюминия с 10 % Mg, 0,1 % Ti и 0,1% Zr после холодной прокатки с обжатием 70%. Оксидированный шлиф, поляризованный свет (В. В. Истомин):

R — направление прокатки; N — нормаль к плоскости прокатки

минии и алюминиевых сплавах деформационные полосы контрастно выявляются под световым микроскопом на ок­сидированных шлифах: в зависимости от кристаллографи­ческой ориентировки подложки прозрачная оксидная плен­ка в поляризованном свете имеет разную цветовую окрас­ку. Деформационные полосы при средних и больших обжатиях вытянуты в направлении прокатки (рис. 10).

Если (более редкий случай) ориентировка решетки в кристалле одинакова по обе стороны от деформационной полосы, то ее называют полосой сброса (см. рис. 24, а).

Граница между соседними деформационными полосами сама является областью большей или меньшей ширины, в которой ориентировка изменяется от одной деформацион­ной полосы до соседней полосы. Эту область называют пе­реходной полосой.

П

Рис. 11. Микрополосы (отмечены бук­вами) в переходной полосе в меди после холодной прокатки с обжатием 90%. Электронная микрофотография, фольга (Ридха и Хачинсон):

од световым микроскопом переходные полосы бывают видны в виде тонких линий или в виде границ областей разного контраста. Поэтому металлографически они могут и не отличаться от границ вытянутых зерен. Вооб­ще структурное различие между зернами и дефор­мационными полосами из-за одинаково большой разориентировки по от­ношению соответственно к соседнему зерну и по­лосе состоит только в разном строении грани­цы.

П

R — направление прокатки; .V — нор­маль к плоскости прокатки

росвечивание тон­ких фолы в электрон­ном микроскопе выяви­ло, что переходная по­лоса между деформаци­онными полосами сама состоит из группы мик­рополос с почти парал­лельными границами (рис. 11). Эти границы— две параллельные плос­кие стенки дислокаций— находятся в плоскости {111} в меди и в плоско­сти {110} в железе. Ши­рина микрополос около 0,1—0,3 мкм, а длина может состав­лять десятки микрометров. Сама микрополоса по длине состоит из слегка разориентированных (не более 1—2°) Фрагментов, разделенных пеперечными субграницами. Мик- Рополосы вытянуты вдоль переходной полосы, т.е. вдоль направления прокатки при больших обжатиях.

В поперечном сечении переходной полосы размещается

от двух до десяти-пятнадцати микрополос. Соседние мик­рополосы разориентированы на углы не более 5°, причем очень важно, что разворот между ними в данной переход­ной полосе имеет одинаковый знак, т. е. разориентировка накапливается при переходе от одного края переходной по­лосы к другому. Так, например, в меди, прокатанной с об­жатием 90 %, средний угол разориентировки соседних мик­рополос равен 4°, а группа из десяти таких микрополос обусловливает разориенгировку между деформационными полосами величиной 40°.

Причины и механизм образования микрополос не уста- говлены. Микрополосы — самостоятельный элемент суб­структуры. Они не образуются в результате вытягивания ячеек по мере увеличения степени деформации, поэтому называть микрополосы вытянутыми ячейками, как это иногда делают, нецелесообразно. Отдельные микрополосы появляются на ранних стадиях деформации одновременно с формированием равноосных ячеек. Имеются свидетельст­ва, что с микрополосами в объеме кристалла прямо связа­ны линии сдвига на его поверхности.

С увеличением степени деформации число микрополос растет. При больших деформациях они образуют группи­ровки. Отдельные микрополосы и их группировки повора­чиваются, становясь параллельными плоскости прокатки. Между микрополосами сохраняются мало меняющиеся равноосные ячейки. Между микрополосой и прилегающей к ней областью равноосных ячеек угол разориентировки не превышает нескольких градусов.

В твердых растворах с очень низкой энергией дефектов упаковки микрополосы, как и равноосные ячейки, при де­формации не формируются, так как их образование, по всей видимости, связано с развитием поперечного сколь­жения.

Полос а сдвига

При обжатиях около 70 % в металлах с г. ц. к. и о. ц. к. решеткой в сечении, проходящем через направление про­катки и нормаль к плоскости прокатки, подобрав трави- тель, можно выявить систему параллельных полос, распо­ложенных под углом 30—40° к направлению прокатки. Их называют полосами сдвига (рис. 12). В плоскости прокат­ки они перпендикулярны направлению прокатки. Часто можно наблюдать две системы полос сдвига, расположен­ных в виде «елочки» или взаимно пересекающихся. Полосы

сдвига в отличие от переходных полос могут пересекать границы зерен, а при очень больших обжатиях они прохо­дят через всю толщину листа.

Полосы сдвига ^I названы так потому, что они являются участками сильной локализации сдвиговой деформации. При обжатиях более 90 % почти вся пластическая дефор­мация сосредоточена в этих полосах.

Полосы сдвига имеют ширину порядка 1 мкм и состоят из микрополос, разделенных малоугловыми границами (рис. 13).

Р

Рис. 12. Полосы сдвига в меди после холодной прокатки с обжатием 90 % (Ридха и Хачинсон):

R — направление прокатки; N — нор­маль к плоскости прокатки

ис. 13. Микрополосы в полосе сдви­га в сплаве алюминия с 10 % Мg, 0,1 % Ti и 0,1 % Zr после холодной прокатки с обжатием 70 %. Электрон­ная микрофотография, фольга (В. В. Истомин):

R — направление прокатки; N — нор­маль к плоскости прокатки

Таким образом, с увеличением степени холодной дефор­мации возрастают плотность дислокаций и концентрация вакансий, появляются участки с локальной разориентиров- кой кристаллической решетки (деформационные и пере­ходные полосы, полосы сдвига); при не слишком низкой энергии дефектов упаковки образуются микрополосы и формируется ячеистая структура.

На рис. 14 схематично изображены рассмотренные вы­ше характерные особенности структуры сильно деформи­рованного металла, обладающего средней или высокой энергией дефектов упаковки. Внутри деформационных по­лос показана ячеистая структура, а внутри переходных по­лос и полос сдвига изображены микрополосы.

Рис. 14. Схема строения зерна холоднокатаного металла с деформационными иолосамн (ДП), переходными полосами (ПП) и полосой сдвига (ПС):

— направление прокатки; N — нормаль к плоскости прокаткн