Влияние нагрева на структуру и свойства пластически деформированного металла. Текстура деформации.
Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентация кристаллитов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры (текстура деформации). Она приводит к упрочнению в одних направлениях и раз упрочнению в других (вообще спорный процесс и зависит от текстуры, но на механические свойства влияет сильно).
После пластической деформации металл находится в термодинамически неустойчивом состоянии (10% энергии деформации аккумулируется в деформированном металле) и поэтому стремится перейти в состояние более устойчивое. Однако при комнатной температуре структура и свойства деформированного металла достаточно стабильны. Процесс востановления структуры ускоряется при нагреве. Нагрев устраняет искажения в структуре и влияет на свойства деформированного металла, снижая прочностные свойства и увеличивая пластичность металла.
Отметим, что достаточно резкое изменение механических свойств происходит в определенном интервале температур отжига, в то время как электросопротивление снижается при более низких температурах. При восстановлении структуры деформированного металла путем нагрева происходят два процесса: возврат и рекристаллизация.
Процесс возврата протекает при относительно низких температурах (обычно не более 0,3 Тпл). В результате возврата восстанавливается лишь тонкая структура, а микроструктура не изменяется. В пределах деформированных зерен уменьшается концентрация точечных деффектов, перераспределяются и частично аннигилируются дислокации (линейные дефекты), уменьшаются искажения кристаллической решетки. При возврате хорошо восстанавливаются электросопротивление и плотность, механические же свойства изменяются в пределах 10..30%.
Процесс рекристаллизации развивается при более высоких температурах (обычно 0,3..0,4 Тпл). Он состоит в том, что в деформированном металле образуются центры, из которых растут зерна с малой плотностью дефектов и совершенной структурой. Центры рекристаллизации возникают в местах с наибольшей искаженностью структуры: на стыках зерен, границах блоков, субзерен, зерен на полосах скольжения. Рост новых зерен из центров развивается в результате миграции высокоугловых границ в направлении матриц с искаженной структурой. Миграции происходят за счет диффузионного перехода атомов от матрицы к растущему зерну.
Различают первичную, собирательную и вторичную рекристаллизацию. Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки) начинается с образования центров рекристаллизации и заканчивается с исчезновением последнего деформированного зерна, т.е. когда новые зерна соприкасаются. Формирование при первичной рекристаллизации более совершенной с меньшей плотностью дефектов структуры приводит к снижению прочностных свойств и повышению пластичности металла.
Собирательная рекристаллизация развивается при повышенных температурах отжига или длительных выдержках при температурах первичной рекристаллизации. В результате наблюдается укрупнение зерна. За счет уменьшения поверхностной энергии металл переходит в более стабильное состояние с меньшим термодинамическим потенциалом. При этом углы в стыках зерен приближаются к 120o.
В результате вторичной рекристаллизации, развивающейся при высоких температурах нагрева, образуется структура с высокой неоднородностью размеров зерен и пониженными механическими свойствами.
Температура рекристаллизации зависит от многих факторов: прочности межатомных связей металла, его частоты, количества легирующих элементов, степени деформации. Природа металла определяет величину межатомных сил связи, температуру плавления, диффузионную подвижность атомов в металле. Поэтому температура рекристаллизации зависит прежде всего от температуры плавления и подсчитывается по формуле Трек = КТпл, где К - коэффициент, изменяющийся в зависимости от чистоты деформированного металла в пределах 0,1..0,8 (0,1..0,2 для металлов высокой чистоты; 0,3..0,4 - технической чистоты; 0,5..0,6 - со структурой твердого раствора; 0,7..0,8 - легированных элементами с большим атомным радиусом).
Отжиг при температуре выше температуры рекристаллизации (на 150..200o C) называют рекристаллизационным. Он чато применяется на практике как межоперационная обработка для снятия наклепа и восстановления пластичности металла. Величина зерна после рекристаллизационного отжига зависит от температуры отжига и степени деформации. Чем выше температура отжига, тем крупнее зерно. Степень деформации оказывает более сложное влияние на величину зерна. Малые степени деформации (2..10%) приводят к резкому укрупнению зерна, и их называют критическими (для железа 5%, для алюминия 3%). При малых деформациях имеет место неоднородное распределение дислокаций и напряжений. Это вызывает миграцию границ зерен и рост недеформированных зерен за счет соседних деформированных (энергетически менее выгодных). При деформации выше критической степени размер зерна тем меньше, чем выше степень деформации.
Для однофазных металлов сочетание деформации и отжига позволяет регулировать размер зерна и свойства металла. Наклеп однофазных металлов - единственный способ их упрочнения.
Различают холодную и горячую обработку давлением. Холодную обработку давлением проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации, и она сопровождается наклепом.
Горячую обработку давлением проводят при температурах выше температуры рекристаллизации, поэтому после окончания деформации наклеп уменьшается рекристализационными процессами.
Понятие «равновесная структура материала». Диаграмма состояния. Диаграмма состояния системы компонентов неограниченно растворимых в жидком и твёрдом состояниях. Анализ диаграмм состояния. Правило отрезков, правило концентраций.
Сплавы состоят из нескольких элементов, которые называются компонентами. Свойства сплавов зависят от многих факторов, но прежде всего - от состава фаз и их количественного соотношения. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния. Зная диаграмму состояния можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей, оценить жидкотекучесть сплава и возможность получения химической неоднородности, сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением, определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.
Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов в условиях равновесия.
Между тем, следует помнить, что абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных сплавах не встречается. Компоненты в сплаве обозначают символами их элементов.
Диаграмма состояния позволяет:
определить для каждого сплава, какие фазы, при каких температурах находятся в равновесии;
- установить состав и количественное соотношение находящихся в равновесии фаз;
- предсказать приблизительно структуру сплава, а иногда определить количественное соотношение структурных составляющих.
Для построения диаграмм состояния, особенно для определения температур затвердевания сплава, используется термический анализ. Для изучения превращений в сплаве в твердом состоянии используют методы физико-химического анализа:
микроанализ;
рентгеноструктурный;
дилатометрический;
электросопротивления;
акустический.
Последовательность построения диаграмм термическим методом (компоненты А и В, фазы , L):
- изготавливают несколько сплавов с известной концентрацией (сплав I, II, III, компоненты А и В) (рис. 6.3);
Рис. 6.3. Диаграмма состояния с образованием неограниченных твердых растворов, построенная термическим методом (диаграмма II рода)
для каждого сплава строят кривые охлаждения в координатах температура – время, по которым определяют температуры начала и конца кристаллизации сплава;
строят диаграмму состояния в координатах температура – концентрация, где отмечают точки начала и конца кристаллизации, найденные на кривых охлаждения.
Диаграмма состояния получается при соединении критических точек tA, t1, t3, t5, tB, t6, t4, t2, tA плавными кривыми. Полученная кривая tA t1 t3 t5 tB - геометрическое изображение на диаграмме состояния (точка, линия или поверхность) зависимости температур начала кристаллизации (или завершения расплавления) от химического состава сплава. Такая линия называется линия ликвидус. Кривая tA t2 t4 t6 t8 – геометрическое изображение (точка, линия или поверхность) на диагрмме состояния зависимости температуры конца кристаллизации (или начала плавления) от химического состояния сплава Такая линия называется линия солидус.
Правило отрезков или правило рычага
В процессе кристаллизации изменяются концентрация компонента в фазах и количество фаз. Для их определения служит правило фаз.
Рассмотрим процесс кристаллизации произвольного сплава (рис.6.4) состава 50 % А и 50 % В при очень медленном охлаждении (когда успевают проходить диффузионные процессы).
Рис. 6.4. Кривая охлаждения сплава (а) и диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (б)
При температуре tA начинается кристаллизация.
В процессе кристаллизации в интервале температур tА и tс в жидкой фазе выделяются кристаллы (альфа) твердого раствора различного состава.
За счет диффузионных процессов (при медленном охлаждении) состав жидкой фазы изменяется по кривой линии tА N P Г (линия ликвидус) (рис.6.4). Состав кристаллов изменяется по линии солидус МЛК tc (M – tс) (рис.6.4).
В момент окончания кристаллизации (точка tС) состав кристаллов такой, как и состав исходной фазы (рис.6.4).
В реальных условиях быстрого охлаждения состав кристаллов будет неоднороден (рис.6.4), так как скорость кристаллизации больше скорости диффузии. Неоднородность химического состава внутри зерна называется дендритной ликвацией.
Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава (рис. 6. 4), проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения коноды с линиями диаграммы на ось концентраций показывают составы фаз.
Например, при температуре tA химический состав первичных кристаллов определяется проекцией точки М на ось концентраций; при температуре t1 состав жидкой фазы определится проекцией точки N на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки Л.
Для того, чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию (коноду). Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Например, при t1 (рис.6.4) количество жидкой фазы определяется отношением отрезков: t1Л / NЛ * 100 %; количество твердой фазы - отношением Nt1 / NЛ * 100 %.
Правило концентраций (определение состава фаз): Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекции точек пересечения а и b на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз Xа и Xb.
Диаграмма состояния системы компонентов неограниченно растворимых в жидком состоянии и ограниченно растворимых в твёрдом состоянии. Диаграмма состояния элементов, образующих промежуточную фазу. Правило отрезков, правило концентраций.
Правило отрезков или правило рычага
В процессе кристаллизации изменяются концентрация компонента в фазах и количество фаз. Для их определения служит правило фаз.
Рассмотрим процесс кристаллизации произвольного сплава (рис.6.4) состава 50 % А и 50 % В при очень медленном охлаждении (когда успевают проходить диффузионные процессы).
Рис. 6.4. Кривая охлаждения сплава (а) и диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (б)
При температуре tA начинается кристаллизация.
В процессе кристаллизации в интервале температур tА и tс в жидкой фазе выделяются кристаллы (альфа) твердого раствора различного состава.
За счет диффузионных процессов (при медленном охлаждении) состав жидкой фазы изменяется по кривой линии tА N P Г (линия ликвидус) (рис.6.4). Состав кристаллов изменяется по линии солидус МЛК tc (M – tс) (рис.6.4).
В момент окончания кристаллизации (точка tС) состав кристаллов такой, как и состав исходной фазы (рис.6.4).
В реальных условиях быстрого охлаждения состав кристаллов будет неоднороден (рис.6.4), так как скорость кристаллизации больше скорости диффузии. Неоднородность химического состава внутри зерна называется дендритной ликвацией.
Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава (рис. 6. 4), проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения коноды с линиями диаграммы на ось концентраций показывают составы фаз.
Например, при температуре tA химический состав первичных кристаллов определяется проекцией точки М на ось концентраций; при температуре t1 состав жидкой фазы определится проекцией точки N на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки Л.
Для того, чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию (коноду). Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Например, при t1 (рис.6.4) количество жидкой фазы определяется отношением отрезков: t1Л / NЛ * 100 %; количество твердой фазы - отношением Nt1 / NЛ * 100 %.
Правило концентраций (определение состава фаз): Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекции точек пересечения а и b на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз Xа и Xb.
Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком состоянии и образуют устойчивые промежуточные фазы (рис. 23).
Рис. 23. Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых образуют устойчивые промежуточные фазы:
а – постоянного состава; б – переменного состава
При химическом составе сплава, отвечающем составу точки D', (рис. 23, а) в сплаве образуется промежуточная фаза, состав которой обозначенАтВn. Фаза устойчива, так как сохраняется при нагреве до температуры плавления, обозначенной точкой D. Диаграммы состояния этой фазы с чистыми компонентами А и В можно рассматривать независимо. На рис. 23,б приведена диаграмма состояния сплавов, в которых промежуточная β – фаза имеет переменный состав.
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком состоянии и образуют неустойчивые промежуточные фазы (рис. 24). Промежуточная фаза АтВn возникает в результате перитектической реакции при температуре, соответствующей линии абв. Для сплава перитектического состава (сплав I) реакция идет по формуле: Жа + В → АтВn.
При нагреве эта фаза исчезает раньше, чем сплав полностью расплавится. Она исчезнет при температуре точки б, а сплав расплавится при температуре точки 1.
В заперитектических сплавах (сплав II) реакция закончится образованием механической смеси АтВn + В.
Кристаллизация доперитектического сплава (сплав III) закончится в точке 3 образованием эвтектики (А + АтВn). Структурно свободные кристаллыАтВn частично образуются при перитектической реакции, а частично непосредственным выделением из жидкого сплава в интервале температур точек2 – 3.
Рис. 24. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют неустойчивые промежуточные фазы