Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

14. Деформация металлов, вызывающая увеличение количества нарушений кристаллического строения, повышает свободную энергию металла, т. е. делает его термодинамически неустойчивым. Поэтому в металле, особенно при нагреве, самопроизвольно протекают процессы, приводящие его в более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. При нагреве деформированного металла в нём протекают процессы возврата и рекристаллизации. Под возвратом понимают частичное возвращение искажённой решётки к нормальному состоянию. Различают две стадии возврата: отдых и полигонизацию. В процессе отдыха, протекающего при температурах ниже 0,2 от абсолютной температуры плавления, наблюдается повышение структурного совершенства наклёпанного металла*: поглощение вакансий и межузельных атомов дислокациями, сток вакансий к границам зёрен, аннигиляция дислокаций противоположных знаков и т. д. В процессе первой стадии возврата новых субграниц не образуется.На второй стадии – полигонизации, протекающей при более высоких температурах, чем первая (обычно при (0,25–0,3)Т_пл), но при более низких, чем рекристаллизация, происходит дробление зёрен по плоскостям скольжения или по внутризёренным поверхностям раздела на части – субзёрна (полигоны). В процессе возврата механические свойства изменяются мало, электросопротивление восстанавливается полностью. При нагреве наклёпанного металла до температуры, составляющей для технически чистых металлов примерно 0,4Т_пл (правило А.А. Бочвара), наблюдается зарождение новых с менее искажённой решёткой зёрен и их рост за счёт деформированных. Процессы образования и роста новых зёрен получили название рекристаллизации обработки, или первичной рекристаллизации, а наименьшая температура, при которой начинается рекристаллизация, – температурного порога рекристаллизации. Для химически чистых металлов температура начала рекристаллизации снижается до (0,1–0,2)Т_пл, а для сплавов может достигать значений (0,5–0,6)Т_пл и более высоких. В результате первичной рекристаллизации наклёп практически полностью снимается. Плотность дислокаций снижается с величины 10¹⁰–10¹² см^-2 на 4 порядка. Для ускорения процесса рекристаллизации металл нагревают до температур, несколько превышающих температурный порог рекристаллизации (рекристаллизационный отжиг). После завершения первичной рекристаллизации при повышении температуры происходит рост одних новых кристаллов за счёт других, тоже новых кристаллов. Этот процесс получил название вторичной, или собирательной рекристаллизации. Изменяя свойства в направлении, обратном тому, в котором они изменялись в процессе деформации, возврат и рекристаллизация делают возможным продолжение механической обработки наклёпанных и ставших хрупкими в результате деформации металлов и сплавов. В этом заключается большая польза рекристаллизации в технологии обработки металлов. Однако при неправильно выбранных режимах обработки, рекристаллизация, вызывая сильный рост и неблагоприятную ориентировку кристаллов (перегрев), может принести большой вред. В ряде случаев рекристаллизацией намеренно выращивают крупные зёрна металла, например, для улучшения магнитных свойств трансформаторной кремнистой стали. Интересно отметить, что для некоторых металлов температура рекристаллизации ниже комнатной. Например, для свинца она составляет минус 30 ^оС, для олова – минус 70 ^оС. Поэтому деформация подобных металлов при комнатной температуре будет являться для них горячей обработкой давлением. Другое дело вольфрам. Для него обработка давлением даже при температуре 1 000–1 100 ^оС является холодной технологической операцией, поскольку температура его рекристаллизации составляет 1 200 ^оС. Размер зерна после холодной пластической деформации и рекристаллизации определяется температурой и продолжительностью рекристаллизационного отжига, степенью предварительной деформации, размером исходного зерна, химическим составом сплава, наличием нерастворимых примесей и другими факторами. Малые степени деформации не вызывают рекристаллизацию металла при его нагреве. При деформации 3–15 % размер зерна после отжига резко возрастает и может многократно превосходить размер исходного зерна. Эта степень деформации называется критической. Нагрев металла после критической степени деформации не приводит к зарождению новых зёрен и их росту. Он вызывает только быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных и менее деформированных зёрен за счет других, более деформированных, обладающих повышенной свободной энергией. Если степень деформации больше критической, происходит первичная рекристаллизация. В случае высоких степеней деформации возникает текстура, которая может явиться при последующем нагреве металла причиной формирования текстуры рекристаллизации. Образовавшиеся новые зёрна характеризуются преимущественной кристаллографической ориентацией. Металл в этом случае обладает анизотропией свойств.Наряду с холодной деформацией, о которой упоминалось выше, широко распространена и горячая деформация. Их отличие состоит в том, что холодная деформация проводится ниже температур рекристаллизации, а горячая – выше, при 0,7–0,75Т_пл. Горячая деформация, как и холодная, вызывает упрочнение – «горячий наклёп», который частично или полностью снимается рекристаллизацией при температурах обработки и последующем охлаждении. При горячей обработке давлением процесс упрочнения в результате наклёпа чередуется с процессом разупрочнения за счёт рекристаллизации. Если металл после деформации обладает частично рекристаллизованной структурой, то такую обработку называют тёплой деформацией или неполной горячей.

15. Термической обработкой (термообработкой) называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутренней структуры. Так как основными параметрами термической обработки являются температура и время, то любой процесс термообработки может быть представлен графиком в координатах “температура-время”. Если термическая обработка состоит только из одной операции (нагрев-выдержка-охлаждение), то она называется простой, а если из нескольких операций - сложной.

Основными видами термической обработки являются: Отжиг Нормализация Отпуск Старение Закалка

Отжиг заключается в нагреве сталей до температур выше фазового превращения с последующей выдержкой и медленным охлаждением сплава вместе с печью. В результате отжига получают структуру перлит с ферритом или цементитом, и сталь приобретает высокую пластичность и низкую твёрдость.

Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат, заготовки из углеродистой и легированной стали.

Различают следующие виды отжига: неполный, полный, низкотемпературный, диффузионный и рекристализационный.

Если после нагрева охлаждение происходит не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. Получаемая структура после нормализации – мелкопластинчатая перлитного класса (перлит, сорбит, троостит).

Для низкоуглеродистых сталей структура и свойства после отжига и нормализации ничем не отличаются. При этом операция нормализации дешевле отжига.  По этой причине для низкоуглеродистых сталей рациональней проводит нормализацию. Отличия в структуре появляются с повышением содержания углерода. Также существенно может отличаться структура после отжига и нормализации у легированных сталей.

Закалка – нагрев стали до температур выше фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической. Цель закалки – придать стали большую твердость. После закалки сталь приобретает неравновесную метастабильную структуру и обладает высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и повышенной хрупкостью. Закалка не является окончательным видом термической обработки.

Для устранения избыточных напряжений и повышенной хрупкости сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением.

В результате отпуска структура стали переходит к более равновесному состоянию, твердость снижается, а пластичность повышается.

В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяется на:  низкий (150–250 ^оС),  средний (300-450 ^оС),  высокий (500-700 ^оС).

С увеличением температуры отпуска повышаются пластические свойства и снижается прочность стали.

Самопроизвольный отпуск закаленных сталей при незначительном нагреве или без него, наблюдающийся с течением времени называют старением.

Улучшение. Закалку в сочетании с высоким отпуском называют улучшением. Его назначение – измельчение структуры, повышение механических свойств и повышение обрабатываемости стали резанием.

16.В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит. При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ac₁ (при охлаждении – Аг₁). Буквы с и г указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв - на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените. Растворение аустенита заканчивается в точке а, (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас₃ , охлаждении Аг₃. Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ac₁ и Ас₃ при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка b). Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке b1, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают А_cm. Таким образом, на диаграмме железо-цементит критические точки, образующие линию PSK, обозначают Ас₁ (при нагреве) и Аг₁ (при охлаждении), точки по линии GS - Ac₃ и Аг₃ , по линии SE - Аcm. Знание критических точек облегчает изучение процессов термической обработки сталей.

Превращения в стали при нагреве. Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ас₁ состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ac₁ происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ac₁ до Ас₃ избыточный феррит растворяется в аустените и в точке Ас₃ (линия GS) превращения заканчиваются. Выше точки Ас₃ структура стали состоит из аустенита. Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектоидной стали, но с той лишь разницей, что при дальнейшем повышении температуры от точки Ac₁ до точки А_cm в аустените начинает растворяться избыточный цементит (вторичный). Выше точки А_cm (линия SЕ) структура состоит только из аустенита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пластинки цементита, содержание углерода значительно больше, чем в тех местах, где находились пластинки феррита. Для выравнивания химического состава и получения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас₃ и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузионных процессов. По окончании процесса превращения перлита в аустенит образуется большое количество мелких аустенитных зерен. Эти зерна называют начальными зернами аустенита. Дальнейший нагрев стали или увеличение выдержки приводит к росту аустенитного зерна. Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, называют действительным зерном. Величина такого зерна зависит не только от термической обработки, но и от способа выплавки стали. Однако склонность к росту аустенитных зерен с повышением температуры нагрева различная. Стали, раскисленные в процессе плавки кремнием и марганцем, обладают большой склонностью к непрерывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали называют наследственнокрупнозернистыми. К ним относят кипящие стали. Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и в особенности легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950-1000°С. Такие стали называют наследственномелкозернистыми. К ним относят спокойные стали. Размер наследственного зерна не оказывает влияния на свойства стали. От размера действительного зерна зависят механические свойства стали, главным образом ударная вязкость, она значительно понижается с увеличением размера зерна. Размер действительного зерна в стали зависит от размера зерна аустенита. Как правило, чем крупнее зерна аустенита, тем крупнее действительные зерна. Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Если сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до более высокой температуры и выдерживать при ней более длительное время, не опасаясь чрезмерного роста зерна но сравнению с наследственно крупнозернистой сталью. Горячую обработку давлением - прокатку, ковку, объемную штамповку наследственно мелкозернистой стали - можно начинать и оканчивать при более высокой температуре, не опасаясь получения крупнозернистой структуры. Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементуемых сталей применяют метод цементации, т. е. науглероживание поверхности стали. При нагреве стали до 930±10°С в углеродсодержащей смеси и выдержке при данной температуре в течение 8 ч поверхностный слой ее насыщается углеродом до заэвтектоидного состава. При охлаждении из аустенита выделяется избыточный цементит, который располагается по границам зерен аустенита в виде сетки. После полного охлаждения эта цементитная сетка окружает зерна перлита и показывает размер бывшего при нагреве аустенитного зерна. Подготовленную таким образом структуру стали рассматривают в микроскоп при 100^х увеличении, видимые под микроскопом зерна сравнивают с эталонными, предусмотренными стандартной шкалой размеров зерна.

17. Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно: а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит; б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит. Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением , а так же растворением цементита в аустените. Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка перестраивается в решетку. Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста. Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение в идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка. Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влмяние на свойства стали.