1 Краткие теоретические сведения

При растяжении или сжатии, изгибе или кручении металлического образца или при технологических операциях (прокатка, ковка и др.) происходит остаточное изменение формы тела без нарушения его целостности, не исчезающие после удаления нагрузки.

Такая деформация называется пластической.

Возможность пластической деформации обусловлена тем, что в реальных зернах металла кристаллическая решетка не является идеальной, т.е. в отдельных местах ее имеются нарушения правильного строения – линейные и винтовые дислокации. Дислокации возникают уже в процессе кристаллизации зерен металла и их надо представлять как неизбежные дефекты строения реальных кристаллов. Реальный металл содержит около 10⁶ – 10⁸ дислокаций на 1см² (так называемая основная структура).

Процесс пластической деформации протекает путем перемещения дислокаций в зернах металла из-за легкой их подвижности. Они движутся по определенным плоскостям скольжения (сдвига) под действием касательных напряжений, результатом чего является сдвиг на величину межатомного расстояния. Для перемещения дислокаций требуется в сотни и тысячи раз меньше напряжение, чем для одновременного перемещения всех атомов, лежащих в плоскости скольжения. Следы сдвигов, происходящих при пластической деформации, легко обнаруживаются под микроскопом на протравленных микрошлифах в виде параллельных линий внутри зерен (рисунок 1).

Сдвиги появляются не всех зернах одновременно. В первую очередь они возникают в зернах, у которых плоскости легчайшего сдвига (наиболее густо усеянных атомами) расположены наиболее благоприятно по отношению к действующей силе, т.е. под углом 45⁰.

С увеличением степени деформации появляются сдвиги в нескольких направлениях, зерна начинают вытягиваться и при больших степенях деформации превращаются в волокна (рисунок 2). По мере развития пластической деформации перемещение дислокаций затрудняется, что приводит к упрочнению материала и потере его пластичности.

Рисунок 1 – Микроструктура сплава Рисунок 2 – Волокнистая структура

со следами сдвигов деформированного сплава

Основными факторами, тормозящими перемещение дислокаций в процессе пластической деформации, т.е. упрочняющими материал, являются:

1. Упругое искажение кристаллической решетки, которое нарастает по мере развития сдвигов внутри зерна, затрудняя перемещение дислокаций (атомная блокировка).

2. Измельчение зерен, приводящее к увеличению суммарной протяженности границ зерен, являющихся тормозом для перемещения дислокаций (барьерная блокировка).

3. В процессе пластической деформации происходят зарождение различного рода дефектов (ступеньки на дислокациях, вакансии и дислоцированные атомы), которые являются местом образования скоплений дислокаций и тормозом для перемещения дислокаций.

4. По мере развития пластической деформации плотность дислокаций увеличивается с 10⁶ – 10⁸ до 10¹⁰ – 10¹² дислокаций на 1см². Накопление дислокаций в деформированном металле тормозит передвижение их, что ведет к увеличению прочности и падению пластичности.

5. Постепенное уменьшение количества плоскостей скольжения ведет к увеличению напряжений и образованию и развитию микротрещин, являющихся источником концентрации напряжений, и является дополнительной причиной падения пластичности и перехода материала в хрупкое состояние. Когда напряжения достигнут определенных предельных значений, материал разрушается.

Изменения структуры при пластической деформации приводят к изменению механических и физических свойств металла: твердость, предел прочности, предел упругости и текучесть растут; относительное удлинение, поперечное сужение и ударная вязкость падают; удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила возрастают; плотность (если она не сопровождается запрессовкой образующихся пустот) и магнитная проницаемость падают.

Упрочняющее действие пластической деформации, сопровождающееся снижением пластичности, называется наклепом или нагартовкой.

Наклеп или нагартовка широко используется как метод упрочнения металлов и сплавов.

Наклеп в деталях, работающих при высоких температурах, снимается, т.е происходит снижение прочности. Это объясняется следующими причинами.

Наклепанный металл обладает повышенным уровнем свободной энергии. Он находится в термодинамически неустойчивом состоянии и стремится перейти в равновесное состояние. Однако у большинства металлов этот переход при комнатной температуре идет весьма медленно, так как подвижность атомов при этих температурах недостаточна.

При нагревании деформированного металла кинетическая энергия атомов повышается и сначала при относительно невысоком нагреве линейные дислокации частично взаимно уничтожаются. Это ведет к частичному исправлению упруго искаженной решетки и снижает термодинамическую неустойчивость деформированного металла. При этом микроструктура остается почти без изменений, зерна по-прежнему вытянуты. В этом процессе пластичность возрастает еще незначительно, а напряжения (прочностные характеристики) снижаются на 80%.

Это явление частичного изменения свойств пластически деформированного металла к исходным получило название отдыха.

Иногда в этом периоде, обычно, если степень пластической деформации была невелика, линейные дислокации выстраиваются по границам блоков в виде вертикальных стенок. Такой процесс называется полигонизацией. Он является выгодным, так как при этом увеличивается сопротивление ползучести металла. Процесс полигонизации поддается управлению.

Отдых и полигонизация называются возвратом.

Если нагреть наклепанный металл до более высоких температур, т.е. отжечь при боле высоких температурах, то в нем будет резко снижаться термодинамическая неустойчивость за счет перегруппировки атомов с образованием зародышей и последующего роста новых зерен, свободных от напряжений, с меньшей степенью структурных несовершенств, с более низкой плотностью дислокаций. Этот процесс зарождения и роста новых зерен, свободных от напряжений в деформированном металле, носит название рекристаллизации обработки.

Вначале рекристаллизация носит локальный характер, но с течением времени при достаточно высокой температуре может охватить весь объем деформированного металла и тем устранить волокнистое строение зерен, заменив их новыми равноосными зернами. При этом бывшие микротрещины исчезают. Схематически изображение микроструктуры и кристаллической решетки металла в зависимости от его обработки представлено на рисунке 3.

При полной рекристаллизации прочностные свойства снижаются до исходных, а пластические возрастают до исходных.

Для правильной оценки поведения металлов и сплавов в процессе эксплуатации, а также для выбора условий технологии их изготовления (режим горячей ковки, штамповки и пр., режим отжига) необходимо знать температуру начала рекристаллизации металлов и сплавов.

Под температурой начала рекристаллизации понимается та наинизшая температура, при которой в деформированном металле происходит зарождение и рост новых зерен, свободных от напряжений. Температура рекристаллизации у различных металлов неодинакова и зависит от следующих факторов: температуры плавления металла или сплава, чистоты металла, состава сплава и его структуры, степени пластической деформации, времени выдержки при данной температуре.

Температура рекристаллизации находится экспериментально. Однако существуют формулы, позволяющие ориентировочно определить эту температуру, связывая ее с температурой плавления, принимая постоянными степени деформации (  60%) и время ( = 0.5 + 1 час).

Структура

а б, в г д

Решетка

а б в, г, д

а – исходное состояние (недеформированное); б – после пластической деформации; в – после отжига на возврат; г – после отжига на частичную рекристаллизацию;

д – после отжига на полную рекристаллизацию.

Рисунок 3-Схематическое изображение микроструктуры и кристаллической решетки металла в зависимости от его обработки

Для металлов технической чистоты академик Бочвар А.А. установил следующую зависимость:

Т_рекр. = (0.35 + 0.45)Т_пл.,

где Т – абсолютная температура в градусах Кельвина.

Для очень чистых металлов

Т_рекр. = (0.2 + 0.3)Т_пл.

Для различных сплавов

Т_рекр. = (0.5 + 0.8)Т_пл.

Влияние степени пластической деформации на температуру рекристаллизации при постоянном времени выдержки показано на рисунке 4.

Т_р

, %

Рисунок 4 – Влияние степени пластической деформации на температуру рекристаллизации

Влияние времени выдержки при отжиге на температуру рекристаллизации при постоянной степени деформации показано на рисунке 5.



Рисунок 5 – Влияние времени выдержки при отжиге на температуру рекристаллизации.

Весьма важным является также вопрос о размере зерен, получаемых при рекристаллизации. Основными факторами, влияющими на размер рекристаллизационных зерен, являются: температура отжига, время выдержки при отжиге, степень предшествовавшей пластической деформации.

С ростом температуры и времени отжига рекристаллизационные зерна увеличиваются в размерах.

Различают рекристаллизацию обработки и собирательную рекристаллизацию.

Рекристаллизация обработки предшествует собирательной кристаллизации и приводит к возникновению сравнительно мелких зерен.

Собирательная рекристаллизация протекает в последующие стадии нагрева и выдержки и приводит к укрупнению ранее возникших рекристаллизационных зерен за счет других, более мелких.

Если задаться постоянной температурой отжига, превышающей температуру рекристаллизации на несколько сот градусов и постоянной выдержкой, то можно проследить за влиянием степени деформации на величину зерна при рекристаллизации. Такая зависимость показана на графике рисунка 6.

величина зерна

_кр  , %

Рисунок 6 – Влияние степени пластической деформации на величину зерна металла после рекристаллизационного отжига.

Из графика (рисунок 6) видно, что после небольшой степени деформации, называемой критической (у разных металлов колеблется от 3 до 10%), отжиг вызывает непомерно большой рост зерна. Для конструкционных материалов, работающих в условиях высоких температур и больших напряжений, такую степень деформации не следует допускать.

В магнитомягких материалах используют критическую степень деформации для выращивания крупных зерен.

В зависимости от процессов, происходящих при пластической деформации, необходимо различать холодную и горячую пластическую деформацию.

Холодной пластической деформацией называется деформация, протекающая в условиях отсутствия рекристаллизацонных процессов, приводящая к наклепу.

Горячей пластической деформацией называется деформация, протекающая в условиях полного развития рекристаллизационных процессов и потому она, в конечном счете, не сопровождается наклепом.

Полугорячим наклепом называется наклеп, полученный в процессе пластической деформации с частично развившейся рекристаллизацией.