Глава 6. Пластична деформація, рекристалізація. Структура і властивості деформованих і рекристалізованих металів. Руйнування металів

1. Фізичне уявлення про деформацію і зміцнення металів і сплавів. Явище наклепу.

Деформацією називається змінення розмірів і форми тіла під дією прикладених сил. Деформація може виникати від дії зовнішніх сил або різних фізико-хімічних процесів, що відбуваються в самому тілі. Спочатку метал зазнає пружну деформацію, а потім - пластичну. Природа цих явищ зовсім різна.

Під час пружної деформації відбуваються викривлення кристалічної решітки в результаті оборотних зсувів атомів із положення рівноваги (рис. 46). Після зняття навантаження кожний атом повертається в положення рівноваги під впливом пружних сил міжатомної взаємодії, тому пружна деформація не викликає

■9-

►—у—1	»—О 1 /	У—у ІУ
/	/	/
/	/	/
а	ї і	ї к

-О-

-<> о- (

Рис. 46. Схема зміщення атомів під час пружної деформації: • - положення атомів до прикладення навантаження і після його усунення; о - положення атомів в решітці під дією прикладеного навантаження.

помітних залишкових змін в структурі і властивостях металу.

Поступове збільшення дії зовнішніх або внутрішніх сил призводить до того, що в металі зростають нормальні й дотичні напруження. Під час зростання дотичних напружень вище певної величини деформація становиться необоротною. Така деформація називається пластичною.

Під час пластичної деформації, відбувається необоротний перехід атомів в нові, більщ рівноважні положення, що приводить до зміщення однієї частини кристала відносно іншої. Зовнішньо змінюються форми і розміри тіла, причому ці зміни залишаються після зняття прикладеного навантаження. В результаті пластичної деформації в металі відбуваються структурні зміни, які можна розподілити на три групи:

• зміни форм і розмірів кристалів (зерен);

• зміни кристалографічного орієнтування зерен в просторі;

• зміни внутрішньої будови кожного кристала.

Структурні зміни деформованого металу залежать від температури, при якій відбувається пластична деформація: якщо температура деформації нижча (0,3-0,4)Тпл, то її називають холодною, а якщо вища (0,3-0,4)Тпл - гарячою. Розглянемо спочатку механізм пластичної деформації взагалі і структурні зміни після холодної пластичної деформації.

Пластична деформація відбувається шляхом зсуву, тобто, коли під впливом напружень йде упорядковане зміщення окремих частин кристалів вздовж певних напрямків і площин. При цьому можливим є виникнення двох видів механізму зсуву: ковзання і двійникування.

Ковзання — основний механізм пластичної деформації, в разі якого під впливом дотичних напружень відбувається зсув однієї частини кристала відносно другої вздовж так званих площин ковзання (рис.47).

.

н евеликих зміщень, нібито повертанням однієї частини кристала в

положення, симетричне до другої частини кристала, відносно площини, яка називається площиною двійникування (рис. 48).

В

Рис. 49. Схематичне зображення руху дислокації в кристалі під дією прикладеного напруження: а) розташування атомів в кристалічній решітці при наявності крайової дислокації до прикладення напружень; б) і в) - послідовне переміщення атомів і утворення дислокацій в кристалі (положення 2' і 3'); г) вихід дислокації на поверхню кристала і утворення сходинки зсуву.

ідомо, що в реальних кристалах пластична деформація полегшується завдяки присутності в кристалічній решітці лінійних дефектів — дислокацій. Як вже було показано раніше в главі 3, одну з

типів дислокацій, а саме крайову дислокацію, можна представити у вигляді неповної площини кристалічної решітки. Так на рис. 49а спочатку крайову дислокацію утворюють атоми, відмічені цифрою 1. Присутність дислокації викликає пружну деформацію кристалічної решітки, що підвищує внутрішню енергію кристала, а самі атоми, що утворюють дислокацію, знаходяться в нерівноважному стані. Дислокація розташована в площині ковзання МІМ. Якщо вздовж цієї площини діє дотичне напруження т (рис.49б) то, перш за все, повинні почати переміщатися атоми 1, які належать дислокації. Це обумовлено тим, що переміщення їх на невелику відстань (меншу міжатомної відстані) в положення Г приведе до зникнення дефекту (напівплощини) в даному об'ємі, а, отже, і до зниження внутрішньої енергії кристала. Далі під впливом сил міжатомної взаємодії атоми 2 повинні переміститись в положення Т (рис. 496), що приведе до утворення ними дислокації (напівплощини), яка під дією того ж дотичного напруження буде переміщатись в положення 2" і зникати, утворюючи нову бездефектну площину за рахунок об'єднання з нижніми атомами. При цьому атоми 3 повинні преміститись в положення 3' , тобто дислокація ніби перейде в слідуюче положення (рис. 49в). Такі переходи будуть йти до тих пір, поки дислокація не вийде на поверхню кристала, утворивши сходинку, позначену на рис. 49г як "п". При цьому відбудеться зсув однієї частини кристала відносно іншої на одну міжатомну відстань.

Таким чином в недосконалих кристалах реальний механізм пластичної деформації - дислокаційний. Процес пластичної деформації відбувається рухом дислокацій, розташованих в площині зсуву кристалів. Під час руху дислокацій атоми зміщуються на відстані, які менші міжатомних, і не всі разом, а послідовно. Інакше кажучи, зсув передається естафетним шляхом від атома до атома. Здійснення пластичної деформації полегшується, особливо в початковий період її розвитку, при цьому опір пластичній деформації зменшується на З порядки. Дислокації переміщуються необоротно, що й дає необоротне змінення форми.

Які джерела утворювання дислокацій? Перш за все, сама природа кристалізації є такою, що в литих металах вже існують дислокації, точкові дефекти, атоми домішок тощо. У відпалених металах щільність дислокацій 10⁶-10⁸ см"²; вакансій 10¹⁷-10^І8см²; домішок 10⁴см'². Але експерименти показують, що після холодної пластичної деформації щільність дислокацій може підвищитись до 10^и-10^|2см ². Підвищується енергія викривлень (Е_поч=10² ерг/см²; Е_к=10⁸ ерг/см²). Отже, під час пластичної деформації дислокації розмножуються. Існує декілька джерел розмноження дислокацій. Розглянемо найпростіше з них, запропоноване в 1950 р. Франком і Рідом' (рис. 50). Джерелом розмноження дислокацій являється

Рис. 50. Етапи утворення дислокаційної петлі плоским джерелом Франка-Ріда.

дислокація, кінці якої БО' закріплені. Прикладені в площині рисунка однорідні напруження т вигинають лінію дислокації в дугу (рис.50б), а лінійний натяг дислокації прагне її випрямити. По мірі росту дотичного напруження дуга вигинається все більше, а радіус її зменшується. Закріплена в точках О і О', дуга перетворюється в провисаючу петлю, яка поступово закручується навкруги цих точок. При такому закручуванні обов'язково наступає момент, коли дві симетрічні спіралеподібні частини дислокації стикаються. В місці стикання зустрічаються ділянки дислокації протилежного знаку. Вони взаємно знищуються, в результаті чого одна дислокація розділяється на дві - замкнену петлю і дислокацію ОСО' (рис. 50 д, е). Якщо дія напружень т буде продовжуватись, то нова дислокація буде продовжуватись розмноження дислокаційних петель за розглянутим механізмом.

Таким чином, джерело Франка-Ріда може генерувати необмежену кількість дислокаційних петель в одній площині ковзання і створювати в ній значний зсув. Джерела розмноження дислокацій розташовуються біля меж зерен, двійників, включень домішок, тобто біля таких перешкод, які можуть заважати вільному ковзанню

дислокацій в певному напрямку. Розмноження дислокацій підвищує взаємодію дислокацій між собою, в результаті чого вони також гальмують рух одна одної. Зростає опір зсуву, і для подальшого розвитку пластичної деформації необхідно збільшувати напруження. Сколююче напруження, яке викликає деформацію зсуву (т_зс), може

бути зв'язане з щільністю дислокацій (р) формулою: т_зс = АВ^/р .

Ц

Рис. 51. Вплив холодної пластичної деформації на механічні властивості металу (схема).

е означає, що при пластичній деформації метал зміцнюється. При цьому після холодної ‘ пластичної деформації підвищуються характеристики міцності а_в, а_т (00,2); НВ. Але знижується пластичність (8, \|/) і ударна в'язкість (КСЦ). Це показано на рис. 51.

Зміцнення під час пластичної деформації інакше називається наклепом. Таким чином, фізична природа наклепу заключа- ється у збільшенні кількості дислокацій в процесі деформації і утрудненні їх руху.

Рух дислокацій гальмується через взаємодію між ними, а також в результаті наявності атомів домішок, меж зерен, включень у вигляді карбідів, інтерметалідів і інших сполук. Цими явищами пояснюється зміцнення сплавів легуванням і термічною обробкою.

З наклепом зв'язані також помітні, а інколи й вельми значні зміни фізичних властивостей: підвищується електроопір,

коерцитивна сила, знижується магнітна проникливість.

Інколи наклепом зміцнюють вироби з чистих металів (електродроти) або сплавів (алюмінієві, магнієві). Але часто наклеп, який знижує пластичність і в'язкість виробу (наприклад, під час холодного прокатування та інших видів обробки тиском), стає небажаним, і його приходиться усувати. Для цього деформований метал нагрівають до певних температур.

2. Процеси, які відбуваються під час нагрівання деформованого металу: зворот, полігонізація, рекристалізація

Деформований метал має зайву накопичену енергію і являється термодинамічно нестійким. Отже, такий метал намагається самодовільно перейти в більш рівноважний стан з меншою вільною енергією.

Н агрівання прискорює ці процеси і приводить до зменшення загальної кількості дефектів кристалічної решітки (насамперед дислокацій) і до їх перерозподілу в кристалітах (зернах) з утворенням нових більш рівноважних конфігурацій. Такі процеси відбуваються під впливом нагрівання до температур, при яких стає можливим переміщення атомів (самодифузія), що сприяє переповзанню дислокацій (рис.52), їх частковому взаємознищенню в деформованих зернах, або ж утворенню об'ємів нових зерен, вільних від надлишку дислокацій.

П

Рис. 52. Переповзання дислокацій (за Гаєм).

ід час нагрівання холоднодеформованого металу послідовно відбуваються слідуючі процеси: зворот, полігонізація, рекристалізація. Після помірного нагрівання (нижче ~ 0,3 Тпл) структура, яка спостерігається на світовому мікроскопі, не змінюється. Вивчення структури на електронному мікроскопі показує зменшення щільності дислокацій і їх перебудову. Таке явище називається зворотом або поверненням. Деякі властивості металу частково або повністю повертаються до тих значень, які він мав перед холодною пластичною деформацією. Вихідне значення приймають магнітні та електричні властивості, частково знижується міцність і твердість і мало підвищується пластичність. Якщо зворот протікає без утворення і міграції нових меж субзерен, то його називають зворотом першого роду або відпочинком.

Коли в результаті звороту в деформованих кристалах з'являються і мігрують нові малокутові межі, то його називають

зворотом другого роду або полігонізацією. Полігональна структура формується в межах деформованих зерен за рахунок дислокацій одного знаку, які утворюють дислокаційні вертикальні стінки, розподіляючи деформовану матрицю на об'єми дрібних субзерен, слабко розорієнтованих між собою. Явище полігонізації спостерігається в багатьох випадках, коли невелика деформація і нагрівання співпадають в часі або йдуть послідовно.

Утворення полігональної структури може бути розглянуто на прикладі зігнутого бруса за допомогою схеми на рис. 53. В умовах нагріву термічна активація приводить до того, що дислокації протилежних знаків (і,- позитивні іТ - негативні) зустрічаються і взаємознищуються (анигілюють). В деформованих зернах завжди є надлишок дислокацій одного знаку, наприклад, позитивного (_1_), як це показано на схемі рис. 53а. Надлишкові дислокації спочатку розташовуються нерівномірно в площинах ковзання. Коли під впливом нагрівання рухомість дислокацій збільшується, відбувається перебудова їх у вертикальні стінки, які є малокутовими а потім се- редньокутовими межами субзерен (рис. 536). Полігональна структура термодинамічно стабільна і може зберігатись при високих

т

Рис. 53. Схема утворення полігональної структури: а - хаотичне розташування крайових дислокацій в деформованому кристалі; б - стінки дислокацій після полігонізації.

емпературах нагрівання. Дислокаційні стінки (межі субзерен) являються ефективною перешкодою для руху інших дислокацій, тому утворення полігональної структури підвищує міцність металу. Одночасно підвищується і ударна в'язкість, бо збільшується сумарна протяжність дислокаційних меж субзерен.

Точної температури полігонізації не існує. Це залежить від дислокаційної структури кристалів. Полігонізація починається з процесу утворення малокутових меж - невеличких об'ємів кристала з кутами розорієнтування 1-2°. Щільність дислокацій в таких межах низька. Рухомість дислокацій велика, бо вони розташовані на значних відстанях одна від одної. Потім щільність дислокацій в субмежах зростає, і збільшуються кути розорієнтування до 5-15°. Такі межі називаються середньокутовими, їх будова дислокаційна, але розподілення дислокацій не дуже упорядковане. Далі

відбувається зріст субзерен - "рекристалізація на місці" ("іп зііе"), що є останньою стадією полігонізації, при якій можуть практично зникнути великокутові межі зерен. Вони стають середньокутовими. З утворенням такої зеренної будови металів підвищуються їх механічні властивості (як міцність, так і пластичність, в'язкість). Це пояснюється тим, що середньокутові дислокаційні межі здатні передавати ковзання в сусідні об'єми, бо вони є напівпроникливі для тих дислокацій, які утворюються під час дії напружень. Висококутові межі зерен, навпаки, затримують дислокації, що викликає появу біля них пікових напружень, створюючи небезпеку крихкого руйнування.

Подальше нагрівання холоднодеформованого металу до певної температури приводить до сильної зміни його структури і механічних властивостей, що пов’язано з рекристалізацією (рис. 54). Початок рекристалізації характеризується тим, що на фоні витягнутих деформованих зерен з'являються нові невеликі рівноосні