Влияние температуры на строение и свойства пластически деформированного металла.

Большая часть работы (до 95%), затрачиваемой на деформацию ме­талла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная часть энергии ак­­ку­мулируется в металле в виде повышенной плотности несовершентсв строения (вакансий и, главаным образом, дислокаций). О накоплении энер­гии свидетельсвует также рост остаточных напряэений в результате дефор­мации. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неус­тойчиво. При ганреве такого метала в нем протекает процессы возврата, по­ли­гонизации и рекристаллизации, обусловливающие возвращение всех свойств к свойтсвам металла до деформации.

  Возврат и полигонизация

  При нагреве до сравнительно низких температур (обычно ниже 0,2-0,3 Тпл) на­чинается процесс возврата, под которым понимают повышение струк­турного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плот­ности дефектов строения, однако при этом еще не наблюдается заметных из­ме­нений структуры, видимой с световом микроскопе, по сравнению с де­формированным состоянием.

  В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах (ни­же 0,2Тпл) протекает собственно первая стадия возврата, когда происходит умень­шение точечных дефектов (вакансий) и небольшая перегруппировка дис­локаций без образования новых субграниц.

  Из­быточные вакансии и межузельные атомы поглощаются дис­локациями при перераспределении последних при нагреве. Кроме того, проис­ходит сток вакансий к границам зерен, что определяет уменьшение их кон­центрации. Далее вакансия и межузельные атомы при встрече взаи­модействуют с уменьшением энергии.

  Следующая стадия - полигонизация, под который понимают фраг­ментацию кристаллитов на субзерна (полигоны) с малоугловыми границами; проис­ходит при нагреве до более высоких температур.

  Для объяснения процесса полигонизации предложен следующий дисло­кационный механизм. При деформации кристалла, например, путем из­ги­ба возникают дислокации, неупорядоченно распределенные в плоскостях сколь­жения (рисунок 5.1,а). При нагреве, достаточном для протекания само­диффузии, дислокации различных знаков аннигилируют, а избыточные дис­локации одного знака выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к об­ра­зованию в монокристалле или в зернах поликристалла субграниц, ог­раничивающих субзерна (полигоны) свободные от дислокаций (рисунок 5.1,б). Про­цесс полигонизации этого классического типа протекает после небольших де­­формаций при нагреве до 0,25-0,3 Тпл. на рисунке 5.1, в представлены субзерна в струк­туре низкоуглеродистой стали.

Рисунок 5.1 - Схема полигонизации: а - распределение дислокаций после деформации; б - образование границ блоков; в - субзерна (фрагменты) в структуре низкоуглеродистой стали х500.

       Для некоторых металлов (например,  алюминия, титана, монокрис­таллов молибдена и вольфрама) в процессе возврата и полигонизации проис­ходит заметное понижение прочности и повышение пластичности. Однако их жаропрочные свойства при этом повышаются. У меди, никеля и их сплавов на оп­ре­деленной стадии полигонизации твердость, пределы текучести, упругости и вы­носливости, а также пластичность повышаются. Одновременно снижаются не­упругие  эффекты. Упрочнение происходит в результате закрепления подвижных дис­ло­каций атомами примесей в дислокационных стенках, возникающих при полигонизации деформированного металла.

Укрупнение субзерен (полигонов) при увеличении времени или повы­шении температуры и очищение их объема от дислокаций приводит к снижению прочности.

В алюминии, молибдене и вольфраме полигонизация протекает с большой ско­ростью, и субзерна достигают значительных размеров, что вызывает сильное раз­упрочнение. Некоторые физические свойтсва (например, электро­сопротивление) в процессе возврата восстанавливаются практически пол­ностью. это связано с уменьшением концентрации вакансий и с пере­распределением дислокаций.

Рекристаллизация

Первичная рекристаллизация.  При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает и при достижении определенной температуры образцются новые равноосные зерна.

Как видно из рисунка 5.2, до температуры tп. р. сохраняется дефор­мированное зерно. При температуре tп. р.  в деформированном металле растут за­ро­дыши (рисунок 5.2) новых зерен с неискаженной решеткой, отделенные от ос­тальной части матрицы границами с большими углами разориентировки (боль­шеугловыми границами). Новые зерна, вероятно, возникают в участках с по­вышенной плотностью дислокаций, где сосредоточены наибольшие ис­кажения решетки, т. е. у границ деформированных зерен или плоскостей сд­вига внутри зерен; затем они растут в результате перехода к ним атомов от де­формированных участков.

Рисунок 5.2 - Влияние нагрева на механические свойства и структура металла, упрочненного холодной деформацией: tп. р.  - температурный порого рекристаллизации; t1- температура, начиная с которой наблюдается перегрев при рекристаллизации.

       При нагреве наклепанного метал­ла не восстанавливается старое зерно, а по­яв­­ляется совершенно новое зерно, раз­меры ко­то­рого могут существенно отли­чаться от ис­ходного. Образование новых, равно­осных зерен вместо ориентированной во­локнистой структуры деформированного ме­талла называется рекристаллизацией обработки или первичной ре­крис­таллизации. Образование новых зерен и резкое снижение плотности дис­лока­ций приводит к высвобождению основной доли накоплений в процессе хо­лод­ной пластической деформации энергии в объеме металла.

Это является термодинамическим стимулом рекристаллизации обработки. В результате рекристаллизации наклеп практически полностью снимается и свойства приближаются к исходным значением. Как видно из рисунка 5.2, при рекристаллизации временное сопротивление разрыву, и особенно предел текучести резко снижаются, а пластичность д возрастает. Разупрочнение объясняется снятием искажения решетки и резким уменьшением плотности дислокаций. Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 1010-1012 до 106-108см-2. Наименьшую температуру начала рекристаллизации tп. р.  (рисунок 5.2), при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, величины зерна до деформации и т. д. температурный порого рекристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или меньше величина зерна до деформации.

Рисунок 5.3 - Рост зерна при собирательной рексриатллизации: а - диффузия через границы зерен; б - механизм роста зерна.

  Температура начала рекристаллизации  tп. р.  металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых металлов составляет примерно 0,4 Тпл (правило ), для чистых металлов снижается до (0,1-0,2) Тпл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5-0,6) Тпл.

  Для полного снятия наклепа металла нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. Такая термическая обработка получила название рекристаллизационного отжига.

Собирательная рекристаллизация. После завершения первичной рек­ристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних ре­к­ристаллизованных зерен за счет других путем передвижения большеугловых границ так, что зерна с вогнутыми  границами «поедают» зер­на с выпуклыми границами. Атом на вогнутой поверхности имеет большее чис­ло соседей и, следовательно, меньшую энергию, по сравнению с атомом, на­­хо­­дящимся на выпуклой поверхности (рисунок 5.3, а).  В результате гра­ница смещается в направлении центра кривизны (рисунок 5.3, а). Механизм рос­та показан на рисунке 5.3, б. так как выпуклые границы чаще имеются у ма­лых зерен, а вогнутые - у больших, то в процессе роста последних  малые зер­на исчезают. Процесс роста новых кристаллизованных зерен называют со­би­рательной рекристаллизацией. Основной причиной собирательной ре­кристаллизации является стремление к уменьшению зернограничной («по­верхностной») энергии благодаря уменьшению протяженности границ при рос­те зерна. Дисперсные частицы второй фазы тормозят рост зерна. Ве­личина зерна тем меньше, чем больше объемная доля включений и выше их дис­персность.

  При температуре выше t1 пластичность может уменьшаться, что объяс­няется сильным ростом зерна - явление перегрева при рекристаллизации на­зы­вают вторичной.

  Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассматривать как за­родышевые центры и поэтому процесс их роста получил название вто­ричной рекристаллизации.

Рисунок 5.3 - Диаграмма рекристаллизации титана. 

  В результате вторичной рекристаллизации обра­зуется множество мел­ких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вто­ричная рекрис­таллизация, вероятно, вызывается благоприятной для рос­та крис­таллографической ориентировкой отдельных зерен, меньшей чем у дру­гих зе­рен концентрацией дефектов (величиной объемной энергии) и более вы­­со­кой подвижностью границ в результате неравномерного выделения при­месей. В большинстве случаев причиной вторичной рекристаллизации яв­ляется торможение роста большинства зерен, образовавшихся при первичной ре­­кристаллизации, дисперсными частицами примесей. Вторичная ре­крис­таллизация, вызывающая образование крупного зерна и раз­нозернистости, спо­собствует снижению механических свойств металлов.

  Размер зерна после рекристаллизации. Размер кристаллизованного зер­на оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы, имею­щие мелкое зерно, обладают повышенной         прочностью и вяз­костью. Однако в некоторых случаях необходимо, чтобы металл  имел круп­ное зерно. Так, трансформатная сталь или техническое железо наиболее вы­сокие магнитные свойства имеют при крупном зерне. Величина зерна зави­сит от температуры рекристаллизационного отжига (рисунок 5.4, а), его про­дол­жительности (рисунок 5.4,б), степени предварительной деформации (рисунок 5.4,в), химического состава сплава, размера исходного зерна, нали­чия нерастворимых примесей и т. д. при данной степени деформации с повы­шением температуры и при увеличении продолжительности отжига размер зер­на возрастает. Величина рекристаллизованного зерна тем меньше, чем боль­ше степень деформации (см. рисунок 5.4, в). При температурах t1  и  t2 (вы­ше tп. р.) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу (ри­сунок 5.4., б), а через некоторый отрезок времени (0п', Оп); - инкубационный период.

Рисунок 5.4 - Влияние температуры (а), продолжиетльности нагрева (б) и сте­пени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна; 0п', Оп - ин­кубационный период рекристаллизации, t1<t2<t3-температура рекрис­таллизационного отжига; fxf'- критическая степень деформации.

  При очень малых степенях деформации (рисунок.5.4, в) нагрев не вы­зы­вает рекристаллизации. При 3-15 % - ной деформации величина зерна пос­ле отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер ис­ходного зерна. Такую степень деформации (f, f') называют критической. Пос­ле обжатий с критической степенью деформации также не происходит рек­ристаллизации по механизму образования новых зерен и их роста. Нагрев ме­талла, подвергнутого обработке с критическими степенями деформации, вы­зывает быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных зерен за счет пог­лощения соседних. Такой механизм рекристаллизации, сходный со вторичной рекристаллизацией, объясняется неоднородностью деформации раз­ных зерен при небольших степенях деформации. Поэтому при нагреве ста­новится возможным рост менее деформированных зерен, т. е. имеющих более низ­кое значение свободной энергии, за счет более деформированных, т. е. имею­­щих большую свободную энергию. Критическая степень деформации тем мень­ше, чем выше температура отжига (рисунок 5.4, в). 

  Сле­до­вательно, критической называют такую минимальную степень де­формации, выше которой при нагреве становится возможной первичная ре­крис­таллизация.

  Это объясняется тем, что с развитием деформации возрастает число участ­ков с повышенной плотностью дислокаций и, следовательно, увели­чивается возможность образования рекристаллизованных объемов. При вы­соких степенях деформации скорость образования рекристаллизованных объемов превышает скорость их роста, что и предопределяет образование мел­кого зерна.

  Зависимость величины зерна от температуры и степени деформации час­то изображают в виде диаграмм рекристаллизации (рисунок 5.3).  Эти диаг­раммы дают возможность в первом приближении выбрать режим рекрис­таллизационного отжига. Но следует учитывать, что результаты отжига зависят и от дру­гих факторов. Диаграммы рекристаллизации не учитывают влияния при­месей, скорости нагрева и величины зерна до деформации. Чем быстрее наг­рев, тем мельче зерно. При уменьшении исходного зерна повышается кри­тическая степень деформации и рекристаллизованное зерно (при данной сте­пени деформации) оказывается мельче.

  Текстура рекристаллизации. После высоких степеней предшествующей де­­формации возникает текстура, которая нередко является причиной обра­зования при последующем нагреве текстуры рекристаллизации. В этом слу­чае но­вые рекристаллизованные зерна имеют преимущественную ориен­тировку. Ха­рактер текстуры рекристаллизации определяется условиями про­ве­дения от­жига, видом предшествующей обработки давлением (прокатка, во­ло­чение и т. д.), а также количеством природой примесей. При низких темпе­ратурах от­жига металлов с г. ц.к. решеткой (К12) текстура рекристаллизации так же, как и текстура деформации, а при высоких она отличается от текстуры деформации или отсутствует. Текстуру рекристаллизации можно наб­лю­дать в меди, алю­минии, железе и др. металлах.  При образовании текс­туры рекрис­таллизации отож­женный поликристаллический металл харак­теризуется ани­зотропией свойств.