Сл.9. Динамическая рекристаллизация

На кривых напряжение – деформация динамическая рекристаллизация проявляется в падении напряжения течения. На стадии установившегося течения возможны два типа поведения металла (см. рис. 179, б). При более высоких скоростях деформации напряжение течения после спада остается неизменным, а при более низких скоростях напряжение течения осциллирует около некоторого среднего уровня, который тем ниже, чем меньше скорость деформации. С ростом степени деформации амплитуда колебаний напряжения постепенно уменьшается и кривая S – е сглаживается.

Исследование резко охлажденных образцов, деформацию которых прерывали на разных стадиях, позволило составить следующую картину структурных изменений. Вначале происходит деформационное упрочнение с параллельно идущим динамическим возвратом (участок подъема кривой истинных напряжений). Если динамический возврат слабо развит, то с повышением плотности дислокаций создаются условия для формирования центров динамической рекристаллизации. При малых скоростях деформации они возникают по механизму локального выгибания существующих высокоугловых границ (см. рис. 16), а при повышенных скоростях стенки ячеек аккумулируют все больше дислокаций и превращаются в высокоугловые границы зародыша динамической рекристаллизации.

Сл.10. Пока рекристаллизованные зерна с пониженной прочностью занимают небольшую часть объема металла, еще продолжается рост напряжения течения. С увеличением суммарного объема рекристаллизованных участков разупрочнение перекрывает деформационное упрочнение, и напряжение течения падает. Следовательно, критическая степень деформации, соответствующая началу динамической рекристаллизации, несколько меньше деформации, соответствующей пику истинного напряжения течения.

Динамическая рекристаллизация отличается от статической тем, что появившиеся рекристаллизованные зерна с низкой плотностью дислокаций во время своего роста постепенно наклепываются из-за продолжающейся деформации – в них повышается плотность дислокаций. Участки, рекристаллизовавшиеся в первую очередь, начинают наклепываться раньше и в них быстрее достигается критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения новых рекристаллизованных зерен, которые затем наклепываются, и т. д. Многократно чередующиеся циклы динамической рекристаллизации и наклепа рекристаллизованных зерен соответствуют установившейся стадии с неизменным средним размером зерна.

Наклеп рекристаллизованных зерен уменьшает разность в плотности дислокаций по обе стороны от мигрирующей границы, а так как эта разность является движущей силой миграции, то скорость роста рекристаллизованных зерен уменьшается. Чем выше температура и ниже скорость деформации, тем крупнее и совершеннее рекристаллизованные зерна.

Сл.11. При малой скорости деформации цикл рекристаллизации успевает закончиться раньше, чем в участках, рекристаллизованных в первую очередь, будет достигнута критическая плотность дислокаций и начнется новый цикл рекристаллизации. Поэтому при малой скорости деформации вначале наблюдается четкое чередование спадов (рекристаллизационное разупрочнение) и подъемов (деформационное упрочнение) напряжения течения. Так как эти процессы в разных участках макрообъема образца в силу разных, в том числе случайных причин перестают совпадать по фазе, то осцилляция напряжения течения уменьшается и кривая S–е сглаживается (см. рис. 179, б).

При больших скоростях деформации скорость увеличения плотности дислокаций больше скорости рекристаллизации, и до окончания первого цикла рекристаллизации достигается критическая плотность дислокаций, т. е. начинается второй цикл рекристаллизации. В результате такого перекрытия циклов рекристаллизации напряжение течения не осциллирует: вслед за достижением пикового напряжения оно падает до определенного уровня, промежуточного между сопротивлением деформированию рекристаллизованных и нерекристаллизованных участков.

Сл.12. Характерные особенности структуры металла на стадии динамической рекристаллизации следующие: а) неоднородность субструктуры по объему металла и внутри отдельных зерен, связанная с тем, что одни участки только что рекристаллизовались, а ранее рекристаллизованные участки подверглись наклепу и динамическому возврату; б) неровность, зубчатость границ зерен, вызванная выбрасыванием «языков» при зарождении новых зерен; в) появление колоний новых зерен преимущественно около границ исходных кристаллов; г) равноосность зерен (в отличие от вытянутых зерен на стадии динамического возврата).

Сл.13. При сильном развитии динамического возврата критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения центров рекристаллизации, может быть не достигнута вплоть до самых больших степеней деформации, и тогда динамическая рекристаллизация вообще не начнется. Именно такая ситуация наблюдается при прессовании полуфабрикатов из промышленных алюминиевых сплавов. В металлах со сравнительно низкой энергией дефектов упаковки (Cu, Ni, Со, γ-Fe, Ag, Au, Pb) поперечное скольжение и переползание дислокаций, а соответственно и динамический возврат затруднены, и при достаточно большой горячей деформации, например при прессовании, может быть достигнута критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения центров динамической рекристаллизации.

Легирующие элементы, уменьшающие энергию дефектов упаковки, затрудняют динамический возврат и тем самым облегчают достижение критической плотности дислокаций, необходимой для динамической рекристаллизации. При оценке роли легирующих добавок следует учитывать возможное затруднение динамической рекристаллизации из-за торможения дисперсными частицами миграции высокоугловых границ.

К промышленным сплавам, в которых при достаточно большой горячей деформации возникает динамическая рекристаллизация, относятся углеродистые и легированные стали в аустенитном состоянии, жаропрочные никелевые сплавы и латуни. Критическая степень деформации, необходимая для начала динамической рекристаллизации, увеличивается с ростом скорости деформации и с понижением температуры.

Сл.14. Таким образом, в зависимости от типа металла, состава сплава, температуры, степени и скорости деформации мы можем иметь дело при горячей обработке давлением только с динамическим возвратом или и с ним, и с динамической рекристаллизацией. В любом случае для горячей деформации в отличие от холодной характерно наступление после деформационного упрочнения стадии установившегося течения.

Сл.15.СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПО ОКОНЧАНИИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

На любой стадии горячей деформации металл имеет повышенную плотность дислокаций, которая служит термодинамическим стимулом для восстановительных процессов после окончания деформации. Установлены три типа самопроизвольных восстановительных процессов, идущих по окончании горячей деформации: статический возврат, статическая рекристаллизация и метадинамическая рекристаллизация. Первые два процесса имеют аналоги при отжиге после холодной деформации, а метадинамическая рекристаллизация может идти только после горячей деформации.

Тип восстановительных процессов, их кинетика и вклад в разупрочнение зависят от того, на какой стадии была прервана горячая деформация.

Рис. 180. Кривая течения стали с 0,68% С, деформированной сжатием при 780° С со скоростью 1,3х10^-3 с^-1 (а) и зависимость степени разупрочнения этой стали от последеформационной выдержки при 780° С (б)

1,2,3 и 4 – выдержки после истинных деформаций 0,055; 0,098; 0,24 и 0,41 соответственно

На рис. 180, а показана кривая течения углеродистой стали в аустенитном состоянии при 780° С, а на рис. 180, б – кинетика разупрочнения во время последеформационной изотермической выдержки после прерывания горячего сжатия при разных степенях деформации.

Кривая 1 на рис. 180, б относится к прерыванию горячего сжатия на стадии начального деформационного упрочнения (см. соответствующую точку 1 на кривой течения, рис. 180, а). В этом случае наклеп к моменту окончания деформации еще слишком мал, чтобы при последеформационной выдержке стала возможной статическая рекристаллизация, и последеформационное разупрочнение идет только за счет статического возврата. Этот возврат начинается сразу по окончании горячей деформации (без инкубационного периода) и идет с затуханием, завершаясь примерно за 100 с (см. выход кривой 1 на горизонталь, рис. 180, б).

Кривая 2 относится к прерыванию горячего сжатия тоже на стадии деформационного упрочнения, но степень деформации больше (см. соответствующую точку 2 на рис. 180, а) и наклеп достаточен для развития статической рекристаллизации при последеформационной выдержке. Эта рекристаллизация начинается примерно через 10⁴ с (инкубационный период) от начала выдержки и приводит к полному разупрочнению (см. второй подъем на кривой 2). С повышением скорости горячей деформации до заданной степени растет плотность дислокаций и в результате ускоряется статическая рекристаллизация при последеформационной выдержке (скорость рекристаллизации при отжиге после холодной деформации малочувствительна к скорости холодной деформации).

В инкубационный период проходит только статический возврат, который развивается несколько быстрее и приводит к большему разупрочнению по сравнению с предыдущим случаем (плато на кривой 2 выше плато на кривой 1).

Особенно интересна кривая 3, характеризующая разупрочнение после деформации, прерванной на стадии начала динамической рекристаллизации, но еще до достижения установившейся стадии (см. точку 3 на спаде после пикового напряжения, рис. 180, а).Разупрочнение в этом случае проходит в три этапа. Первый и третий подъемы на кривой 3 аналогичны подъемам на кривой 2 и соответствуют статическому возврату и статической рекристаллизации, начинающейся после инкубационного периода. Новым является промежуточный подъем на кривой 3, соответствующий метадинамической (послединамической) рекристаллизации, которая в отличие от классической статической рекристаллизации протекает без инкубационного периода. Когда деформация прервана на стадии динамической рекристаллизации, имеется множество свежих, не успевших подвергнуться наклепу зародышей рекристаллизованных зерен, способных к росту в статических условиях сразу после прекращения горячей деформации. Многие высокоугловые границы рекристаллизованных зерен, по обе стороны которых резко различна плотность дислокаций, мигрировали в сторону более наклепанных зерен при горячей деформации и могут продолжать такую миграцию сразу по окончании деформации. Этим обусловлена важнейшая для практики особенность метадинамической рекристаллизации – отсутствие инкубационного периода, рекристаллизационный рост зерен за короткое время охлаждения металла с температуры деформации.

Первая задержка в разупрочнении (см. маленькое плато на рис. 180, б)– это результат того, что разупрочнение при быстром статическом возврате завершается раньше, чем станет заметным разупрочнение от развивающейся метадинамической рекристаллизации.

Кривая 4 на рис. 180, б соответствует разупрочнению после прекращения горячей деформации на стадии установившегося течения (точка 4 на рис. 180, а). Остановки разупрочнения по окончании статического возврата здесь нет, так как до этого момента уже сильно развито разупрочнение от метадинамической рекристаллизации. Новым является то, что метадинамическая рекристаллизация приводит к полному разупрочнению за время меньше инкубационного периода статической рекристаллизации, которая поэтому не идет.

Сл.16. Чем больше степень горячей деформации до начала стадии установившегося течения, тем быстрее проходит разупрочнение при последеформационной выдержке и мельче рекристаллизованное зерно. Увеличение степени деформации на стадии установившегося течения не влияет ни на скорость разупрочнения, ни на размер зерна при последеформационной выдержке.

Зерна, сформировавшиеся при последеформационной выдержке, отличаются от зерен, возникших на стадии динамической рекристаллизации, отсутствием субструктуры и менее извилистыми границами.

Сл.17. Вклад трех рассмотренных восстановительных процессов в последеформационное разупрочнение зависит от степени деформации, что схематично изображено на рис. 181.

Рис. 181. Схема влияния степени горячей деформации на долю последеформационного разупрочнения металла под действием статического возврата, классической статической рекристаллизации и метадинамической рекристаллизации.

На этой схеме е_с – критическая степень горячей деформации, необходимой для начала статической рекристаллизации, е_д – деформация в момент начала динамической рекристаллизации, е_у – деформация, соответствующая началу стадии установившегося течения. Например, при деформации е_х степень разупрочнения от статического возврата характеризуется отрезком ab, от метадинамической рекристаллизации – отрезком bc и от статической (классической) рекристаллизации – отрезком cd,сумма которых составляет 100%.

Если деформация е<е_с, то разупрочнение является результатом только статического возврата и никогда не бывает полным (заштрихованная область – нереализуемые степени разупрочнения).

Если е_с<е<е_д, то статический возврат и позднее идущая статическая рекристаллизация приводят к полному разупрочнению.

Если е_д<е<е_у, то метадинамическая рекристаллизация также дает вклад в разупрочнение, доля которого нарастает с увеличением степени горячей деформации. При е>е_у, т. е. в случае установившегося течения, все последеформационное разупрочнение обеспечивается статическим возвратом и метадинамической рекристаллизацией (без участия статической рекристаллизации). Вклад статического возврата в последеформационное разупрочнение обычно не превышает 50%.

Сл.18. В заключение рассмотрим возможные комбинации динамических и статических восстановительных процессов при горячей обработке давлением в промышленных условиях (рис. 182 и 183).

При горячей прокатке степень деформации за один проход обычно сравнительно небольшая и в зоне деформации (между валками) протекает только динамический возврат, не изменяющий формы зерен. По выходе из валков в охлаждающемся металле может протекать только статический возврат, и зерна остаются вытянутыми (рис. 182, а), или возможна также статическая рекристаллизация, в результате которой образуются равноосные зерна (рис. 182, б). Первый случай характерен для металлов с высокой, а второй – с низкой энергией дефектов упаковки.

Рис. 182. Схемы комбинаций динамических и статических процессов при горячей прокатке с небольшим обжатием

Если между проходами статическая рекристаллизация не идет и наклеп накапливается, то, несмотря на сравнительно небольшую степень деформации за каждый проход, начиная с определенного суммарного обжатия, при горячей прокатке в зоне деформации становится возможной динамическая рекристаллизация.

Сл.19. При горячем прессовании часто достигаются очень большие степени деформации. Если в зоне деформирования протекал только динамический возврат, то при охлаждении прессованного полуфабриката может в зависимости от степени, скорости и температуры деформации, а также от энергии дефектов упаковки протекать один статический возврат (рис. 183, а) или возможна также классическая статическая рекристаллизация (рис. 183, б). Если же во время горячей деформации развивается динамическая рекристаллизация, то по выходе из пресса в полуфабрикате идет метадинамическая и, возможно, статическая (классическая) рекристаллизаций (рис. 183, в).

Рис. 183. Схемы комбинаций динамических н статических, процессов при горячем прессовании с большим обжатием

При горячей прокатке с достаточно большим обжатием за один проход возможны те же комбинации восстановительных процессов, что и при прессовании.

Чтобы в горячедеформированных изделиях (полуфабрикатах) получать регламентированную, например полностью нерекристаллизованную, структуру, желательно для промышленных сплавов иметь справочные данные об их структурном состоянии после обработки по конкретным режимам.

Сл.20. Поскольку промышленные процессы горячей обработки давлением очень часто проводят на стадии установившейся горячей деформации, на которой напряжение течения не зависит от степени деформации, то для упрощения анализа влияние степени горячей деформации на получаемую структуру можно не рассматривать. Ю. М. Вайнблат для алюминиевых сплавов предложил строить диаграммы структурных состояний, которые характеризуют структуру после горячей деформации с большими обжатиями, т. е. на установившейся стадии, при заданных температурах и заданных скоростях деформации (рис. 184).

Рис. 184. Диаграмма структурных состояний сплава АВ, деформированного с обжатием 50% и нагретого под закалку до 520° С; е – скорость; t_д температура деформации

На диаграмме структурных состояний линия АА отделяет область горячей деформации I, после которой при нагреве под закалку рекристаллизация не идет. Линия АА характеризует взаимосвязь двух критических параметров горячей деформации – критической скорости деформации и критической температуры деформирования. При скорости ниже критической и при температуре выше критической рекристаллизация при последующей стандартной термообработке не идет. Например, если сплав АВ (см. рис. 184) деформировать со скоростью около 10^-1 с^-1, то нерекристаллизованную структуру в закаленном изделии можно получить, проводя деформирование при температурах выше 400° С. С другой стороны, если деформировать сплав при 400° С, то нерекристаллизованную структуру после закалки можно получить только при скоростях деформации меньше10^-1 с^-1. При горячей обработке давлением критическая скорость деформации как бывыполняет роль, которую играет критическая степень деформации при холодной обработке давлением.

Линия АА, отделяющая область I докритических состояний, где рекристаллизация не идет, от области закритических состояний, называется линией критических состояний. Любая точка на этой линии соответствует одной и той же температуре начала рекристаллизации (после деформации на установившейся стадии), равной температуре нагрева под закалку. (t_р^н)_уст = t_зак Следовательно, можно сделать вывод, что любая точка на линии критических состояний АА соответствует одинаковому уровню накопленной энергии. Естественно, что чем выше температура деформирования, тем больше должна быть критическая скорость деформации, чтобы накопить энергию, достаточную для начала рекристаллизации.

Линия ВВ на рис. 184 – это температурно-скоростная граница области II, где рекристаллизация при нагреве под закалку проходит полностью, т. е. на этой линии (t_р^к)_уст = t_зак. Между линиями АА и ВВ находится область III частичной рекристаллизации. Наконец, линия СС отделяет область IV, в которой рекристаллизация проходит сразу после окончания горячей деформации, без дополнительного нагрева (см. выше метадинамическую рекристаллизацию).