4.8.3. Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка − совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения, в результате которых формирование окончательной структуры и свойств материала происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения несо­вершенств строения, созданных пластической деформацией.

Характер воздействия термомеханической обработки на строение, структуру и свойства материалов, как правило, интерпре­тируют по термомеханическим кривым.

Термомеханическая кривая − графическое изображение изменения характеристик деформации при изменении температуры.

4.8.3.1. Тепломеханическая обработка металлов и сплавов

В зависимости от соотношения температуры, при которой осуществляют деформацию, и температуры рекристаллизации металла различают холодную и горячую деформации (обработки).

Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации (0,15...0,2 t_пл). Холодная пластическая деформация характеризуется непрерывным воз­растанием плотности дислокаций, что обеспечивает создание наклепа и текстуры.

При горячей (0,7...0,75 t_пл) обработке давлением одновременно с пластической деформацией протекает рекристаллизация, которая продолжается и после деформации до остывания материала ниже температуры рекристаллизации. Процессы полигонизации и рекри­сталлизации, происходящие одновременно с деформацией, называют динамическими, так как их эффекты, связанные с разупрочнением, не­прерывно чередуются с упрочнением, вызываемым горячим наклепом.

Применение горячей обработки давлением позволяет в значи­тельной степени подавить процессы рекристаллизации, приводящие к разупрочнению, что объясняется измельчением зерна, сохранением полугорячего наклепа и высокодисперсным ориентированным распа­дом твердого раствора.

Горячая обработка давлением (прокатка, прессование, ковка, штамповка и др.) широко используется в технике, например, при производстве листового проката и горячекатаного полуфабриката различного профиля.

4.8.3.2. Термомеханическая обработка аморфных сплавов

Термомеханическая кривая зависимости предела текучести аморфного сплава характеризуется наличием трех характерных об­ластей (рис. 4.26): I − резкое уменьшение предела текучести; II − инва­риантность; III − плавное уменьшение предела текучести.

Наличие плато инвариантности можно представить как ре­зультат развития двух процессов: упругая (гомогенная) деформация всего объема образца и локализация деформации в полосах скольже­ния (негомогенное скольжение). Такое течение нечувствительно к скорости деформации и температуре воздействия и характеризуется отсутствием стадии упрочнения.

Рис. 4.26. Термомеханическая кривая зависимости предела текучести аморфных сплавов: t1 и t2 – критические температуры

Таким образом, инвариантный интервал определяет рабочую температурную область аморфного сплава, когда подводимая энергия (в виде температуры и напряжения) недостаточна для нарушения его строения.

Термомеханические кривые для полимерных материалов с различным строением приведены на рис. 4.27. По этим кривым можно судить о характере изменения механических и технологических свойств полимеров при различных температурах. Так, полимеры или пластмассы на их основе эксплуатируются при температурах ниже температуры стеклования t_ст, когда они находятся в твердом состоянии.

Температура t_хр (ниже t_ст) соответствует переходу полимеров в хрупкое состояние (для полистирола t_ст= 100 ^оС и t_хр= 90 ^оС; для полиметилметакрилата t_ст= 100 ^оС и t_хр= 10^оС).

Кристаллические полимеры (рис. 4.27б) при температуре ниже температуры кристаллизации t_к являются твердыми, но имеют различную жесткость в зависимости от степени кристалличности. При температуре выше t_к их кристаллическая часть плавится, и далее, в диапазоне температур от t_к до t_пл , полимер находится в высокоэластичном состоянии.

Кристаллические и аморфные полимеры при температуре свыше t_ст переходят в вязкотекучее состояние. Формование изделий из полимеров или пластмасс ведут в области их вязкотекучего состояния.

В редкосетчатых полимерах (типа резин) узлы сетки препятствуют относительному перемещению полимерных цепей. Поэтому при повышении температуры (рис. 4.27в) в таких полимерах не наступает вязкого течения, а область высокоэластичного состояния расширяется и ее верхней границей становится температура химического разложения полимера t_р.

Рис. 4.27. Термомеханические кривые для полимеров: а – аморфного; б – кристаллического; в – редкосетчатого. Области состояний полимеров: 1 – стеклообразное; 2 – высокоэластичное; 3 – вязкотекучее; 4 – химического разложения