Наклеп и рекристаллизация

Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом или нагартовкой.

При деформации зерна меняют свою форму и ориентировку, образуя волокнистую структуру. Зерна деформируются и сплющиваются, вытягиваясь в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 6). Преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен вдоль направления деформации называется текстурой металла. Чем больше степень деформации, тем большая часть зерен получает преимущественную ориентировку.

В результате наклепа повышаются прочность и твердость металла.

Упрочнение при наклепе объясняется существенным повышением плот­ности дислокаций, характерным для процесса пластической деформации.

Плотность дислокаций после холодной деформации увеличивается на не­сколько порядков. Одновременно в процессе пласти­ческой деформации увеличивается количество точечных несовершенств - вакансий и дислоцированных атомов. С ростом плотности дислокаций и не­совершенств кристаллического строения затрудняется свободное переме­щение дислокаций. Все эти факторы способствуют упрочнению металла при наклепе.

Металлы с ГЦК решеткой при наклепе упрочняются более сильно, чем металлы с ОЦК решеткой.

Рисунок 6. Изменение формы зерен в результате деформации:

а, б – схема формы зерен до и после деформации; в – микро-

Структура низкоуглеродистой стали марки 15 после деформации × 150

Рекристаллизационные процессы в металлах и сплавах. Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних на­пряжений в результате наклепа приводят к тому, что он приходит в неравновесное, неустойчивое состоя­ние. Длительная выдержка при комнатной температуре, а тем более нагрев должны способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.

При небольшом нагреве (до 400 °С для железа) про­исходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций, уменьшение количества ва­кансий, снижение внутренних напряжений. Невысокий нагрев холоднодеформированного металла ведет только к восстановлению кристаллической решетки, однако видимых изменений структуры не наблюдается и вытянутая форма зерен сохраняется. Этот про­цесс называют возвратом металла. При возврате прочность уменьшается на 20 - 30 % по сравнению с исходным состоянием, а пластичность не­сколько увеличивается.

При последующем нагреве происходит полное восстановление кристаллической решетки и изменение микроструктуры наклепанного металла (рис. 7). С ростом температуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентиро­ванной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен на­зывается рекристаллизацией.

Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают первичную и собирательную рекристаллизацию.

Первичной рекристаллизацией называют процесс образования новых равноосных зерен. В результате первичной рекристаллизации наклеп металла снижается.

Температура

Рисунок 7. Схема изменения структуры и свойств деформированного

металла при нагреве: 1 – 2 – возврат; 2 – 3 – первичная кристаллизация;

3 – 4 – собирательная рекристаллизация

Плотность дислокаций уменьшается до первоначального уровня.

Температуру начала рекристаллизации называют температурным по­рогом рекристаллизации. Она зависит от температуры плавления (правило академика А. А. Бочвара): Т_рекр. = аТ_пл., где а - коэффициент, зависящий от состава и структуры металла. Для технически чистых металлов, а = 0,3...0,4; для сплавов, а = 0,5...0,6.

Последующий рост температуры приводит ко второй стадии процесса - собирательной рекристаллизации, состоящей в росте вновь образовавшихся новых зерен. При укрупнении зерен общая поверхность их границ уменьшается, что способствует переходу металла в равновесное состояние.

Величина зерна при собирательной рекристаллизации зависит от тем­пературы нагрева, степени предшествующей пластической деформации и, в меньшей степени, от длительности выдержки при нагреве. Наи­более крупные зерна образуются при небольшой предварительной дефор­мации (до 15%), которую называют критической.

Если необходимо снять наклеп, то отжиг наклепанного металла ведут при более высокой темпе­ратуре, чем температура рекристаллизации.

Деформация может быть холодной и горячей. Холодная деформация проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации и сопровождается наклепом металла. Горячая деформация осуществляет­ся при температурах выше температуры рекристаллизации. Для горячей деформации характерно полное или частичное снятие упрочнения. Та­ким образом, при обработке давлением имеют место два процесса: уп­рочнение за счет пластической деформации и последующее разупрочне­ние при рекристаллизации.

На практике горячую деформацию обычно проводят при температурах (0,7 -0,75)Т_пл..