4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

4.1. Возврат и полигонизация

Деформированный металл обладает повышенной энергией и поэтому термодинамически неустойчив. В таком металле протекают диффузионные превращения, приводящие его в более устойчивое состояние. При комнатной температуре они происходят очень медленно, но с повышением температуры ускоряются.

При нагреве до сравнительно низких температур (ниже 0,2…0,3 Т_пл) начинается процесс возврата. Возвратом называют изменение тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, то есть форма и размеры зёрен при возврате не изменяются.

В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах (ниже 0,2 Т_пл) протекает первая стадия, которую называют отдыхом. При отдыхе происходят уменьшение количества точечных дефектов, в основном вакансий, и небольшая перегруппировка дислокаций.

Вторая стадия возврата – полигонизация. При полигонизации в пределах каждого зерна образуются новые малоугловые границы. Они возникают в результате перемещения дислокаций. В результате зерно делится на субзёрна – полигоны, которые свободны от дислокаций. Полигонизация происходит не всегда и наблюдается при нагреве до более высоких температур (0,25…0,3 Т_пл).

4.2. Рекристаллизация

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зёрен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации вместо деформированных зёрен образуются новые, равноосные зёрна.

Рекристаллизация происходит при более высоких температурах и состоит из трёх стадий: 1) первичная (обработки); 2) собирательная; 3) вторичная.

При первичной рекристаллизации происходит возникновение зародышевых центров (зародышей). Из них начинается рост новых зёрен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. Зародыши новых зёрен возникают в тех участках старых деформированных зёрен, где кристаллическая решётка наиболее сильно искажена, то есть главным образом на границах зёрен. В дальнейшем эти зародыши растут за счёт диффузии к ним атомов деформированных зёрен. Первичная рекристаллизация заканчивается тогда, когда полностью исчезают старые деформированные зёрна (рис. 4.1).

Наименьшая температура нагрева, при которой зарождаются новые зёрна, называется температурой рекристаллизации (Т_рек). Она зависит от многих факторов. С увеличением степени деформации Т_рек понижается.

Если металлы подвергаются значительной деформации, то для технически чистых металлов Т_рек 0,4 Т_пл, для чистых металлов Т_рек0,1…0,2 Т_пл, а для твёрдых растворов Т_рек 0,5…0,6 Т_пл.

а) б) в) г)

Рис. 4.1. Изменение микроструктуры деформированного металла при нагреве:

а – деформированный металл; б – начало первичной рекристаллизации

(стрелками показаны появившиеся рекристаллизованные зёрна);

в – завершение первичной рекристаллизации;

г – развитие собирательной рекристаллизации

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклёп, то есть прочностные свойства деформированного металла снижаются, а пластические повышаются. В результате свойства металла становятся примерно такими, какими они были до деформации.

После завершения первичной рекристаллизации при дальнейшем нагреве металла происходит рост одних рекристаллизованных зёрен за счёт других. Этот процесс называют собирательной рекристаллизацией. Собирательная рекристаллизация связана с тем, что увеличение зёрен уменьшает свободную энергию металла за счёт уменьшения поверхностной энергии. Чем крупнее зёрна, тем меньше суммарная поверхность границ. Рост зёрен происходит за счёт перехода атомов одного зерна через границу к другому. В результате одни зёрна исчезают, а другие становятся более крупными. С повышением температуры скорость роста зёрен увеличивается. Для разных зёрен скорость роста различна, но соизмерима между собой. Поэтому большого отличия в размерах зёрен после собирательной рекристаллизации не наблюдается [2].

В отличие от первичной, собирательная рекристаллизация не связана с пластической деформацией. Она происходит при нагреве любого металла, в том числе и недеформированного.

В некоторых случаях происходит вторичная рекристаллизация. При вторичной рекристаллизации также происходит рост одних зёрен за счёт других. Но небольшое количество зёрен растёт с несоизмеримо бόльшей скоростью по сравнению с остальными. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество относительно мелких зёрен и небольшое число очень крупных.

После вторичной рекристаллизации наблюдается сильная разнозернистость, которая способствует снижению механических свойств металлов.