1.1.3. Изменение структуры металла

Термическая обработка. Изменить структуру металла тер­мическим путем можно только в том случае, если этот металл обладает полиморфизмом. Полиморфизм проявляется в суще­ствовании двух или больше кристаллических форм, называ­емых аллотропическими модификациями. Каждую модифика­цию характеризует свой тип кристаллической решетки, устой­чивой в определенном интервале температуры.

Наряду с железом аллотропические модификации имеют олово, кобальт, титан и другие металлы. Они обозначаются греческими буквами, причем буквой α обозначают наиболее низкотемпературную модификацию, а затем, по мере повыше­ния температуры следуют β - форма, γ -форма и т. д. Так, марга­нец имеет 4 модификации — от α - Mn при температуре ниже 700 °С до δ - Мп при температуре выше 1143 °С.

При переходе из одной кристаллической формы в другую наблюдаются явления, аналогичные кристаллизации из жид­кости. Так, кристаллизация протекает через образование кри­сталлических зародышей, скорость образования которых пря­мо пропорциональна переохлаждению; на кривой охлаждения при этом наблюдаются задержки или перегибы и т. д. В отли­чие от первичной такая кристаллизация называется вторичной, как протекающая в твердом состоянии.

В качестве примера термической обработки металла можно рассмотреть чистое железо. Железо имеет три аллотропические модификации: α - Fe, γ - Fe и δ - Fe. При нагревании выше 910 °C α - Fe пере­ходит в γ - Fe, объемноцентрированная кубическая решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку. Структура α - Fe -- крупнозернистая, γ - Fe — мелкозернистая. Для получения мелкозернистого α - Fe металл нагревают до температуры несколько выше 910 °C для перевода α - формы в γ - форму, и затем снова охлаждают. В результате образую­щаяся α -модификация сохраняет мелкозернистость γ - модификации. Эта операция называется отжигом второго рода, или фа­зовой перекристаллизацией.

Если металл не обладает полиморфизмом, то для измене­ния структуры приходится применять специальную механиче­скую обработку.

Механическая обработка. Изменения структуры металла можно добиться, подвергнув его деформации с последующим нагревом. Этой обработке могут подвергаться только достаточ­но пластичные металлы.

Как известно, начальной деформацией металла является упругая деформация (рис. 9, участок АВ). С точки зрения строения кристаллической решетки упругая деформация про­является в некотором увеличении межатомных расстояний; пос­ле снятия нагрузки атомы возвращаются в прежнее положе­ние, деформация исчезает.

После достижения предела упругости (точка В на рис. 9) дальнейшее увеличение напряжения вызывает пластическую деформацию металла (участок ВС). Это состояние отвечает сдвигу отдельных частей кристал­лов. Форма зерен кристаллов де­формируется, становится вытяну­той; подобная структура металла называется волокнистой. После снятия напряжения металл продол­жает сохранять деформированную структуру. Такое состояние метал­ла называется наклёпом, или нагартовкой. Нагартованный металл характеризуется повышенной твер­достью и прочностью, но понижен­ной пластичностью.

А l

Рис. 9. Типичная кривая деформации металла

Состояние наклёпа является со­стоянием структурно неустойчивым. Если нагартованный металл на­греть до некоторой температуры, то произойдет дробление де­формированных зерен с образованием новых, более мелких, уже с недеформированной кристаллической решеткой. Этот процесс называется рекристаллизацией, температура перехода - поро­гом рекристаллизации, а сама температурная обработка - от­жигом.

Рис. 10. Схема изменения структуры металла (I) при деформации (II) с последующей рекристаллизацией (III)

На рис. 10 схематично даны стадии изменения структуры при переходе от недеформированного металла I к нагартованному II с последующей рекристаллизацией III.

Как показала практика, температура рекристаллизации Т_рекр (К) связана с температурой плавления металла Т_пл формулой

Т_рекр = k· Т_пл.

Для технически чистых металлов коэффициент k близок 0,4. Очень чистые металлы имеют пониженную температуру рекристаллизации - до 0,27T. Для сплавов, наоборот, харак­терно повышение k до 0,8. Если температура рекристаллиза­ции при проведении отжига не завышена, структура металла достаточно мелкозерниста. По мере увеличения температуры выше T_рекр кристаллиты растут, и структура становится более крупнозернистой. В производственных условиях температура рекристаллизационного отжига обычно выше теоретической температуры рекристаллизации на 150 – 200 °С, что обеспечивает достаточно высокую скорость процесса.