ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ПРИ ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

Сл.2.При отжиге наклепанного металла свойства изменяются обратно тому, как они изменялись при холодной деформации, а именно показатели сопротивления деформированию (пределы прочности и текучести, твердость) уменьшаются, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) возрастают.

Разупрочнение при отжиге

В зависимости от температуры и продолжительности отжига в металле проходят разные структурные изменения и соответственно по-разному протекает разупрочнение.

На рис. 39 схематично показаны три типовых случая изменения прочностных свойств с увеличением продолжительности отжига при постоянной температуре.

В инкубационный период до начала первичной рекристаллизации, когда происходит только возврат, наклеп может практически совсем не уменьшаться (кривая 1), частично уменьшаться (кривая 2) и полностью сниматься (кривая 3).

Рис. 39. Схемы зависимостей прочностных свойств наклепанного металла от времени изотермического отжига

Характер изменения прочностных свойств до начала рекристаллизации полностью соответствует кинетике возврата (см. кривую 1): с увеличением времени возврата прочностные свойства слабо уменьшаются и последующая первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп. При этом с увеличением времени отжига скорость снижения прочностных свойств сначала возрастает, затем некоторое время остается неизменной и затем снижается (сигмаидальная кривая).

Сохранение наклепа при возврате свойственно меди, никелю и серебру.

Заметное, а иногда и весьма значительное частичное снятие наклепа до начала первичной рекристаллизации происходит при отжиге алюминия, железа и титана.

Полностью наклеп снимается в период возврата у деформированных монокристаллов тугоплавких металлов с о.ц.к. решеткой (вольфрама, молибдена), а также у поликристаллических сплавов алюминия с магнием.

Сл.3.Типовые случаи зависимости прочностных свойств от температуры отжига при постоянной его продолжительности схематично показаны на рис. 41.

Рис. 41. Схемы зависимостей прочностных свойств наклепанного металла от температуры отжига

До температуры начала рекристаллизации наклеп может полностью сохраняться (кривая 1),

частично сниматься (кривая 2) и

полностью устраняться (кривая 3).

В первом случае интенсивное разупрочнение начинается при температуре начала первичной рекристаллизации, а во втором и в третьем по началу разупрочнения нельзя определить температуру.

Если в интервале первичной рекристаллизации прочностные свойства сильно падают, то в интервале собирательной рекристаллизации они снижаются слабо.

Прочностные свойства зависят от дислокационной структуры и размера зерен. Если во время дорекристаллизационного отжига протекает только отдых и, следовательно, главные структурные изменения состоят в уменьшении концентрации точечных дефектов, а плотность дислокаций очень мало снижается, то упрочнение от деформации в основном сохраняется.

Если же при дорекристаллизационном отжиге развивается полигонизация, связанная с формированием и укрупнением субзерен и очищением их объема от дислокаций, то прочностные свойства могут существенно снизиться.

Предел текучести σ_т связан с диаметром субзерен d соотношением Холла–Петча:

σ_т = σ₀ + kd^1/2 (15)

В соответствии с этим соотношением рост субзерен при полигонизации приводит к снижению предела текучести при дорекристаллизационном отжиге.

Сл.4. Первичная рекристаллизация, резко снижая плотность дислокаций (с 10¹¹–10¹² до 10⁶–10⁸ см^-2) и «выметая» стенки субзерен, вызывает сильное разупрочнение, пропорциональное доле рекристаллизованного объема. С повышением температуры отжига между t^н_р и t^к_р (см. рис. 41) или с увеличением времени отжига при постоянной температуре (правее τ_р^н на рис. 39) прочностные свойства интенсивно снижаются из-за первичной рекристаллизации. Кроме того определенный вклад в разупрочнение вносит и продолжающийся возврат в тех деформированных зернах, которые еще не поглощены рекристаллизованными. На это указывает снижение микротвердости нерекристаллизованных зерен.

После того как наклепанные зерна полностью заменились значительно более совершенными рекристаллизованными, собирательная рекристаллизация может лишь немного понизить прочностные свойства из-за укрупнения зерна. В частности, предел текучести с ростом зерна при собирательной рекристаллизации уменьшается в соответствии с соотношением Холла–Петча [в этом случае в формуле (15) d– диаметр зерен].

Разная способность к разупрочнению при дорекристаллизационном отжиге связана с разной склонностью к полигонизации.

У металлов с одним типом решетки легкость, с какой идет полигонизация, зависит от энергии дефектов упаковки. Например, у Al энергия дефектов упаковки значительно больше, чем у Cu, полигонизация развивается сильнее, что и приводит к значительному разупрочнению при дорекристаллизационном отжиге.

В некоторых тугоплавких о.ц.к. металлах, например Mo и W, полигонизация развивается особенно активно, и поэтому в них велика доля разупрочнения, приходящаяся на дорекристаллизационный отжиг (рис. 42).

Рис. 42. Влияние температуры отжига в течение 1 ч на твердость вольфрама электроннолучевой плавки, деформированного с обжатием 50% при 800° С (Аллен)

Разупрочнение при дорекристаллизационном отжиге можно ускорить и увеличить, приложив к изделию во время отжига небольшие напряжения. Эти напряжения, не создавая еще значительного наклепа, ускоряют переползание дислокаций, необходимое для развития возврата.

Сл.5. Показатели пластичности при отжиге после холодной деформации в общем изменяются обратно тому, как изменяются прочностные свойства: в области возврата сравнительно слабо возрастают, сильно повышаются при первичной рекристаллизации, когда снимается большая часть наклепа, и мало изменяются при собирательной рекристаллизации (рис. 43 и 44).

Рис. 43. Влияние температуры отжига на механические свойства деформированного металла (схема для одного из распространенных случаев):

t^н_р, t^к_р,t₁ и t₂ - температуры начала и конца рекристаллизации, перегрева и пережога

Рис. 44. Влияние температуры часового отжига на электросопротивление и механические свойства меди M1 (А. П. Смирягин)

Максимальная пластичность достигается в некотором интервале температур в области собирательной рекристаллизации. Начиная с определенной температуры (t₁ на рис. 43 и ~800° С на рис. 44) пластичность плавно снижается, так как далеко зашедшая собирательная рекристаллизация приводит к образованию чрезмерно крупного зерна. Это явление называется перегревом при рекристаллизационном отжиге.

При очень высоких температурах отжига (выше t₂ на рис. 43) резко падают и пластичность, и прочность, что вызвано пережогом – сильным межкристаллитным окислением, а иногда и частичным оплавлением примесей по границам зерен. Например, если медную проволоку отжигать при 1000° С в воздушной среде, то сквозное межкристаллитное окисление делает ее настолько ломкой, что она разрушается при одном перегибе.

Сл.6. Вторичная рекристаллизация, дающая очень крупное зерно, а также разнозернистость снижают показатели пластичности.

В области околокритических деформаций относительное удлинение отожженных металлов и сплавов с увеличением степени предварительной (перед отжигом) деформации снижается, достигает минимума при критической деформации и затем возрастает (рис. 45).

Рис. 45. Зависимость относительного удлинения листового алюминия чистотой 99,7%, отожженного при 450° С, от степени предварительной деформации при 20° С

Рост пластичности в закритической области связан с получением более мелкого зерна при рекристаллизационном отжиге.

Сл.7. Упрочнение при дорекристаллизационном отжиге

Давно было замечено, что при низкотемпературном отжиге некоторых металлов и сплавов до начала рекристаллизации значительно повышаются твердость, предел прочности и особенно пределы текучести и упругости (см. пунктир на рис. 41). У каждого из таких материалов имеется своя оптимальная температура отжига, при которой упрочнение максимально (табл.).

Максимальный прирост предела упругости (∆σ/σ) после дорекристаллизационного получасового отжига – при оптимальной температуре (t_опт.)

Материал	ε, %	(∆σ/σ) 100%	tопт., °С	tнр°С
Cu (99,98% ная) Cu 7% Al Cu - 32% Zn Ni(99,99%-ный) Ni20% Cr Nb (электроннолучевой, по <0,01% С, N, О)	75	10	150	200
	7	35	280	450
	90	170	280	350
	60	100	200	250
	60	40	200	350
	10	40	400	800
	65	170	400	600
	90	40	950	1100
Nb(0,02% С; 0,03% О; 0,02% N)	80	120	1000	1200

Примечание. ε-степень обжатия при холодной прокатке перед отжигом.

Упрочнение в температурной области возврата внешне противоречит самому понятию возврата, связанного с частичным снятием наклепа и возвращением свойств к их значениям до деформации. Поэтому упрочнение при дорекристаллизационном отжиге иногда объясняли ошибкой эксперимента. Вместе с тем абсолютный прирост предела упругости в отдельных случаях превышает 100…300 МПа, что не только далеко выходит за рамки ошибок эксперимента, но и позволяет использовать в промышленности низкотемпературный отжиг после холодной деформации для дополнительного повышения предела упругости пружин и мембран (на 100–170%, см. табл. 2).

Сл.8. Явление упрочнения при дорекристаллизационном отжиге свойственно большинству медных и никелевых сплавов, на которых оно изучено наиболее подробно. Величина упрочнения зависит от состава твердого раствора. У многих сплавов эффект упрочнения при отжиге возрастает с увеличением степени легирования твердого раствора (рис. 47).

Рис. 47. Влияние температуры отжига на твердость холоднокатаных алюминиевых бронз

Природа упрочнения при дорекристаллизационном отжиге в разных сплавах различна. Наиболее общей причиной упрочнения является закрепление подвижных дислокаций в исходном холоднодеформированном материале и в дислокационных стенках, возникших при полигонизации во время отжига. Меньшая величина упрочнения при дорекристаллизационном отжиге металлов высокой чистоты и рост упрочнения с увеличением содержания примесей, а также некоторых легирующих элементов указывают на то, что дислокации при отжиге закрепляются атомами примесей или легирующих элементов.

Т.о., повышение предела упругости при дорекристаллизационном отжиге – это весьма общее явление, свойственное металлам и сплавам с любым типом решетки, металлам обычной и высокой чистоты.

Сл.9. АНИЗОТРОПИЯ СВОЙСТВ ОТОЖЖЕННОГО МЕТАЛЛА

При наличии текстуры рекристаллизации отожженный металл анизотропен. Его анизотропия проявляется тем сильнее, чем совершеннее текстура. Чаще всего анизотропия свойств вредна, но в отдельных случаях требуется получить изделие, в котором какое-то свойство должно быть усилено в определенном направлении. Получение отожженного изотропного металла или, наоборот, металла с ярко выраженной анизотропией свойств – важная научная и техническая задача.