книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

венно сказываются на размере зерна, то это в значительной мере снижает ценность диаграмм рекристаллизации как количествен­ ных характеристик металла. Эти диаграммы дают скорее полуколичественные данные, позволяющие ориентироваться в том, как степень деформации и температура отжига влияют на размер зер­ на металла или сплава.

Разнозернистые структуры

После рекристаллизационного отжига в разных участках изде­ лия зерно может быть примерно одинаковым по размеру (напри­ мер, только мелким или только крупным), но может наблюдаться и нежелательная разнозернистость. К основным ее формам отно­ сятся следующие:

1 ) равномерная разнозернистость — закономерное чередование по всему объему крупных и мелких зерен;

2 ) зональная разнозернистость — расположение крупных зерен

вопределенных зонах изделия;

3)строчечная разнозернистость — вытянутость крупных зерен

обычно вдоль направления главной деформации; 4) островная разнозернистость — группы очень крупных или

очень мелких зерен, незакономерно распределенные по объему из­ делия.

Причины и условия появления разнозернистости весьма много­ образны и могут различаться даже в случае одного типа разнозернистости в разных сплавах и .изделиях.

Равномерная разнозернистость может возникнуть на стадии не­ завершенной вторичной рекристаллизации. Ее можно предотвра­ тить, проводя отжиг при температурах ниже температуры начала вторичной рекристаллизации, когда рекристаллизованная струк­ тура по всему объему получается мелкозернистой. Можно также повысить температуру или увеличить время отжига выше tBт. р, но тогда повсеместно получается крупнозернистая структура. При значительном превышении температуры отжига над ^вт. р струк­ тура получается мельче, чем после отжига при температуре вблизи

^ВТ. р (см. рис. 37).

Простейший случай зональной разнозернистости — возникно­ вение ее при критической деформации металла в определенных зо­ нах изделия. При сильной местной деформации степень деформа­ ции уменьшается от большой закритической, например у кромки пробитого отверстия, до нуля (вдали от этой кромки). В этом слу­ чае всегда какой-то участок изделия оказывается деформированным на критическую степень и здесь при отжиге вырастает круп­ ное зерно. Если технологически невозможно избежать критичес­ кой деформации, то предупредить разнозернистость можно, отка­ завшись от рекристаллизационного отжига и применяя только дорекристаллизационный отжиг.

Зональная разнозернистость, не связанная с критической де­ формацией, может возникать из-за того, что в отдельных зонах из­

90

делия деформированная матрица стабилизирована против первич­ ной рекристаллизации. Такую стабилизацию вызывают прежде всего дисперсные частицы избыточных фаз. Эти частицы сильно тормозят миграцию малоугловых границ и не дают субзернам превратиться в зародыши рекристаллизации. В результате число центров первичной рекристаллизации оказывается резко умень­ шенным. Зерна же из этих центров растут сравнительно легко, так как высокоугловые границы значительно слабее сдерживаются дис­ персными частицами, чем малоугловые. Дисперсные частицы из­ быточных фаз образуются при выделении из пересыщенного твер­ дого раствора во время горячей деформации и другими путями. Они эффективны только тогда, когда не растворяются при нагре­ вах до температуры отжига.

Другая причина стабилизации деформированной матрицы — возврат в процессе горячей деформации, если горячая обработка давлением сама не сопровождалась рекристаллизацией и струк­ тура горячедеформированного сплава только полигонизовывалась. Еще одной причиной стабилизации деформированной матрицы мо­ жет быть ее текстуровавность: при очень близкой ориентации большинства субзерен центры рекристаллизации возникают из тех немногочисленных субзерен, которые сильно отличаются по ориен­ тировке от соседей.

Если рассмотренные факторы стабилизируют деформированную матрицу в равной мере по всему объему изделия, то при отжиге получается грубозернистая (из-за малого числа центров рекри­ сталлизации), но :не разнозернистая структура. Если же в разных зонах изделия степень стабилизации разная, то при отжиге возни­ кает разнозернистость. Причинами неодинаковой стабилизации де­ формированной матрицы могут быть разная степень и разный ха­ рактер деформации (например, ламинарный в центре и турбулент­ ный на периферии прессуемого прутка).

Строчечное расположение дисперсных частиц в деформирован­ ном изделии может вызвать строчечную разнозернистость при рекристаллизационном отжиге.

Зональная ликвация в слитке приводит к макронеоднородности по химическому составу в деформированном изделии, и в участках разного состава с разной скоростью идут первичная, собиратель­ ная и вторичная рекристаллизации, вызывая зональную или ост­ ровную разнозернистость.

Регулируя условия кристаллизации слитка, режим его гомогенизационного отжига, условия обработки давлением, а также сос­ тав сплава, можно бороться с появлением разнозернистости. Из-за многообразия причин и форм проявления разнозернистости для конкретных изделий приходится разрабатывать свою технологию производства, обеспечивающую получение равномерной зернистой структуры.

В большинстве случаев желательно получить при отжиге не только равномерную, но и мелкозернистую структуру. Если металл (сплав) не имеет полиморфных превращений, то крупнозерни-

91

стость, полученную при рекристаллизационном отжиге, никакой последующей термообработкой не устранить, так как она соответ­ ствует состоянию с пониженной свободной энергией.

Рекристаллизационный отжиг используют и для намеренного по­ лучения крупнозернистой структуры, бикристаллов и монокри­ сталлов, которые необходимы для исследовательских работ и спе­ цифических применений в технике. Монокристаллы и бикристал­ лы получают так называемым методом деформация — отжиг, при­ меняя критическую деформацию и особые режимы отжига.

§ 13. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ПРИ ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ

И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

При отжиге наклепанного металла все свойства изменяются обратно тому, как они изменялись при холодной доформации, а именно показатели сопротивления деформированию (пределы проч­ ности и текучести, твердость) уменьшаются, показатели пластично­ сти (относительное удлинение и сужение) возрастают, а физи­ ческие и химические свойства приближаются к своим значениям до деформации.

1.Разупрочнение при отжиге

Взависимости от температуры и продолжительности отжига в металле с той или иной .полнотой проходят разные структурные из­ менения и соответственно по-разному идет разупрочнение.

На рис. 47 схематично показаны три типовых случая изменения

Вреяя оттсга

Ри'С. 47. Схемы зависимостей прочностных свойств наклепанного металла от времени изотермического отжига

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 /), ча­

92

стично уменьшаться (кривая 2) и полностью сниматься (кривая 3). Характер изменения прочностных свойств до начала рекри­ сталлизации полностью соответствует кинетике возраста (см. рис. 15): с увеличением времени возврата скорость снижения прочно­ стных свойств уменьшается. Если по окончании возврата прочно­ стные свойства еще не восстановились, то последующая первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп. При этом с увеличе­ нием времени отжига скорость снижения прочностных #свойств сначала возрастает, затем некоторое время остается неизменной и затем снижается в полном соответствии с сигмаидальной кривой

нарастания рекристаллизованного объема (см. рис. 2 0 ).

Рис. 48. Уменьшение твердости наклепанного чистого алюминия с уве­ личением времени отжига при разных температурах. Исходное состоя­ ние— холодная деформация растяжением на 2Ю% (Лоран, Батисс)

На рис. 48 .видно, как твердость наклепанного алюминия при изотермическом отжиге вначале снижается с затуханием (идет возврат), после чего сначала с ускорением, а затем с замедлением

93

(рис. 49). В практическом отношении важно, что нагартованные алюминиевомагниевые сплавы значительно резупрочняются даже при комнатной температуре, о чем свидетельствуют следующие данные для холоднокатаного магналия, содержащего 6 % Mg:

Типовые случаи зависимости прочностных свойств от темпера­ туры отжига при постоянной его продолжительности, схематично показаны на рис. 50. До температуры начала рекристаллизации

Ря<с. 50. Схемы зависимостей прочностных свойств на­ клепанного металла от температуры отжига

наклеп может полностью сохраняться (кривая 1), частично сниматься (кривая 2) и полностью устраняться (кривая 3). В пер­ вом случае интенсивное разупрочнение начинается при температу­ ре начала первичной рекристаллизации, а во втором и в третьем

по началу разупрочнения нельзя определить температуру ^ - П о э ­

тому хорошо известный метод определения t jj по измерению прочностных свойств далеко не всегда может быть использован.

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

Почти полное сохранение наклепа ниже fjjнаблюдается у меди, никеля и серебра, заметное снятие наклепа — у алюминия и желе­ за, сильное — у многих тугоплавких металлов с о. ц. к. решеткой. Например, у наклепанного вольфрама при отжиге до температуры

Прочностные свойства зависят от дислокационной структуры и размера зерен. Если во время дорекристаллизационного отжига протекает только отдых и, следовательно, главные структурные из­ менения состоят в уменьшении концентрации точечных дефектов,

94

а плотность дислокаций очень мало снижается, то упрочнение от деформации в основном сохраняется. Если же при дорекристаллизационном отжиге развивается полигонизация, связанная с форми­ рованием и укрупнением субзерен и очищением их объема от дис­ локаций, то прочностные свойства могут существенно снизиться.

Предел текучести ат связан с диаметром субзерен d соотноше­ нием Холла — Петча:

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

Первичная рекристаллизация, резко снижая плотность дисло­ каций (с 1 0 п—1 0 12 до 106—10 8 см-2) и «выметая» стенки субзерен, вызывает сильное разупрочнение, пропорциональное доле рекристаллизованного объема. С повышением температуры отжига меж­

ду t "и/р (рис. 50) или с увеличением времени отжига при постоян­

ной температуре (правее Тр на рис. 47) прочностные свойства ин­ тенсивно снижаются из-за первич­

ветствии с соотношением Холла — Петча [в этом случае в формуле (13) 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 полигони­ зация, зависит от энергии дефектов упаковки (см. § 7). Например,

уалюминия энергия дефектов упаковки значительно больше, чем

умеди, полигонизация развивается сильнее, что и приводит к зна­ чительному разупрочнению при дорекристаллизационном отжиге. В некоторых тугоплавких о. ц. к. металлах, например молибдене и вольфраме, полигонизация развивается особенно активно, и по-

95

этому в них велика доля разупрочнения, приходящаяся на дорекрнсталлизационный отжиг.

Разупрочнение при дорекристаллизационном отжиге можно ус­ корить и увеличить, приложив к изделию во время отжига неболь­ шие напряжения. Эти напряжения, не создавая еще значительно­ го наклепа, ускоряют переползание дислокаций, необходимое для развития возврата.

Показатели пластичности при отжиге после холодной деформа­ ции в общем изменяются обратно тому, как изменяются прочност­ ные свойства: в области возврата сравнительно слабо возраста­ ют, сильно повышаются при первичной рекристаллизации, когда снимается большая часть наклепа, и мало изменяются при собира­ тельной рекристаллизации (рис. 52 и 53). Максимальная пластич-

ность достигается в некотором интервале температур в области собирательной рекристаллизации. Начиная с определенной темпе­ ратуры (t\ на рис. 52 и ~800°С на рис. 53) пластичность плавно снижается, так как далеко зашедшая собирательная рекристалли­ зация приводит к образованию чрезмерно крупного зерна. Это яв­ ление называется перегревом при рекристаллизационном отжиге.

При очень высоких температурах отжига (выше t2 на рис. 52) резко падают и пластичность, и прочность, что вызвано пережо­ гом — сильным межкристаллитным окислением, а иногда и ча­ стичным оплавлением из-за примесей по границам зерен. Напри­ мер, если медную проволоку отжигать при 1000°С в воздушной среде, то сквозное межиристаллитное окисление делает ее на­ столько ломкой, что она разрушается при одном перегибе.

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

В области околокритических деформаций относительное удли­ нение отожженных металлов и сплавов с увеличением степени

96

предварительной (перед отжигом) деформации снижается, дости­ гает минимума при критической деформации и затем возрастает (рис. 54). Снижение пластичности в докритической области при

Рис. 54. Зависимость относительного удлинения листового алюминия чистотой 99,7%, отожженно­ го при 450°С, от степени предварительной дефор­ мации при 20°С (Л. Ю. Золоторевская, В. 3. За­ харов, И. И. Новиков, И. Л. Рогельберг)

увеличении степени деформации вызвано возрастанием наклепа, сохраняющегося после отжига. Рост пластичности в закритической области связан с получением более мелкого зерна при рекристаллизационном отжиге (см. рис. 41). Минимум пластичности отож­ женного металла после критической деформации обусловлен, вопервых, крупным зерном и, во-вторых, максимальной степенью на­ клепа. В закритической области наклеп снимается первичной ре­ кристаллизацией, а при критической деформации он частично сох­ раняется после отжига (это прямо доказывается измерениями твердости), так как крупные зерна растут не путем полной замены деформированных зерен новыми рекристаллизованными, с низкой плотностью дислокаций, а путем укрупенния одних наклепанных зерен за счет других.

Отлично от других изменение пластичности тугоплавких ме­ таллов VIA группы (Сг, Mo, W) при рекристаллизационном отжи­ ге. Как известно, эти металлы ниже некоторой температуры, зави­ сящей от их чистоты, структуры, скорости деформации при испытаниях и других факторов, находятся в хрупком состоянии. Переход из пластичного состояния в хрупкое связан с образовани­ ем на межкристаллитных границах сегрегаций атомов примесей внедрения (углерода, кислорода и азота), находящихся в твердом растворе, а также выделением здесь карбидов, окислов и нитридов (в металлах VIA группы технической чистоты содержание приме­ сей внедрения превышает их очень малую растворимость в твер­ дом состоянии). На высокоугловых границах, образующихся при первичной рекристаллизации, сегрегация примесей и выделение избыточных фаз выражены наиболее ярко. Здесь зарождаются хрупкие трещины, развивающиеся по границам или внутри зерен. Поэтому рекристаллизационный отжиг может резко (на 200— 300°С) повысить температурный порог хрупкости хрома, молибде­ на и вольфрама по сравнению с деформированным состоянием (рис. 55). Эти металлы — оригинальный и практически важный пример того, как деформация, создающая наклеп, повышает плас­ тичность (кривые 2 и 3), а рекристаллизация, снимающая наклеп,

Рис. 55. Зависимость относительного сужения молибдена от тем­ пературы в рекриеталлизова ниом состоянии (/), после холодной де. формации ИЛ' 25 (2) и 68% (3) и после дорекристаллкзациониого по­ лучасового отжита при 870°С холоднодеформированного материала

(4) (Имгрэм)

резко охрупчивает металл (кривая 1). Малоугловые границы суб­ зерен в этом отношении ведут себя по-иному: полигонизация обыч­ но снижает температурный порог хрупкости рассматриваемых ме­ таллов (кривая 4 на рис. 55).

2. Упрочнение при дорекристаллизационном отжиге

Давно было замечено, что при низкотемпературном отжиге не­ которых металлов и сплавов до начала рекристаллизации значи­ тельно повышаются твердость, предел прочности и особенно преде­ лы текучести и упругости (см. пунктир на рис. 50). У каждого из таких материалов имеется своя оптимальная температура отжи­ га, при которой упрочнение максимально (табл. 5).

г *— степень обжатия при холодной прокатке перед отжигом.

Р8

Упрочнение в температурной области возврата внешне противо­ речит самому понятию возврата, связанного с частичным снятием наклепа и возвращением свойств к их значениям до деформации. Поэтому упрочнение при дорекристаллизационном отжиге иног­ да объясняли ошибкой эксперимента. Вместе с тем абсолютный прирост предела упругости в отдельных случаях превышает Ш— 30 кгс/мм2, что не только далеко выходит за рамки ошибок экспе­ римента, но и позволяет использовать в промышленности низко­ температурный отжиг после холодной деформации для дополни­ тельного повышения предела упругости пружин и мембран (на

100—170%, см. табл. 5).

Явление упрочнения при дорекристаллизационном отжиге свойственно большинству медных и никелевых сплавов, на кото­ рых оно изучено наиболее подробно. Величина упрочнения зависит от состава твердого раствора. У многих сплавов эффект упрочне­

разных сплавах различна. Наиболее общей причиной упрочнения является закрепление подвижных дислокаций в исходном холоднодеформированном материале и в дислокационных стенках, воз­ никших при полигонизации во время отжига. Меньшая величина упрочнения при дорекристаллизационном отжиге металлов высо­ кой чистоты и рост упрочнения с увеличением содержания приме­ сей, а также некоторых легирующих элементов указывают на то,