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

мало дислокаций. Хорошо оформленные ячейки с плоскими стен­ ками обычно называют субзернами и структуру соответственно на­ зывают субзеренной.

Средняя плотность дислокаций при увеличении степени дефор­ мации возрастает в результате роста их плотности в сплетениях на границах, а не внутри ячеек.

Размер ячеек с увеличением степени деформации уменьшается слабо, особенно в области средних и больших деформаций. Обычно он находится в пределах 0,3—3 мкм. Из-за избытка в границах ди­ слокаций одного знака соседние ячейки и субзерна разориентированы на углы, находящиеся в интервале от нескольких секунд до нескольких градусов.

В образовании ячеистой структуры большую роль играют про­ цессы поперечного скольжения и переползания дислокаций. Поэ­ тому при высоких температурах деформирования образуется более совершенная ячеистая структура с ячейками большего размера.

При пониженной энергии дефектов упаковки затруднено попе­ речное скольжение растянутых дислокаций, что препятствует об­ разованию ячеистой структуры. Поэтому в разных металлах и сплавах, отличающихся по величине энергии дефектов упаковки, имеется разная склонность к образованию при пластической дефор­ мации ячеистой структуры. Ячеистая структура отмечена после холодной деформации в Al, Ni, Си, Ag, Аи, Fe, Мо и многих спла­ вах. В нержавеющей аустенитной стали, а-латуни, однофазных алюминиевых и кремнистых бронзах, для которых характерны очень низкая энергия дефектов упаковки и стремление сильно ра­ стянутых дислокаций оставаться в своих плоскостях скольжения, ячеистая структура или совсем не наблюдалась, или же выявля­ лась только при больших степенях деформации.

При пластической деформации возрастает концентрация точеч­ ных дефектов — вакансий и межузельных атомов. Точечные дефек­ ты генерируются порогами скользящих винтовых дислокаций, при аннигиляции краевых дислокаций противоположного знака в сосед­ них параллельных плоскостях скольжения и возникают по другим причинам. С повышением температуры деформирования неравно­ весный избыток точечных дефектов уменьшается из-за ускорения стока их к дислокациям и границам зерен, происходящего в процес­ се деформирования.

Сувеличением степени пластической деформации одновременно

сповышением плотности растянутых дислокаций растет и число дефектов упаковки.

Таким образом, теоретический анализ, прямые и косвенные экс­ периментальные методы показывают, что с увеличением степени

пластической деформации растет плотность дислокаций и избыток дислокаций одного знака, возрастает число порогов и диполей, мо­ жет формироваться ячеистая структура, увеличивается концентра­ ция точечных дефектов и дефектов упаковки. Все эти изменения внутреннего строения кристаллитов — важнейший результат пла­ стической деформации металлов и сплавов.

40

§ 6. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ПРИ ХОЛОДНОЙ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ

1. Наклеп

Обработка давлением вызывает изменения различных механи­ ческих, физических и химических свойств металла. Обычно под на­ клепом понимают упрочнение при обработке давлением. В более широком понимании наклеп — это совокупность структурных изме­ нений и связанных с ними изменений свойств при пластической де­ формации.

С увеличением степени холодной деформации показатели сопро­ тивления деформированию (предел прочности, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (рис. 13). При деформировании ме­

и более.

Упрочнение вызвано теми структурными изменениями, которые возникают в металле при обработке давлением. Если не рассмат­ ривать механизмы упрочнения и характер дислокационной струк­ туры, то в общем можно сказать, что рост показателей сопротивле­ ния деформированию и снижение показателей пластичности с уве­ личением степени предварительной холодной деформации происхо­ дят в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено сколь­ жение уже имеющихся, а также генерирование и скольжение «све­ жих» дислокаций.

Границы ячеек и субзерен служат барьерами для скользящих дислокаций. Уменьшение расстояний между этими барьерами

41

(уменьшение размера ячеек) способствует упрочнению при уве­ личении степени обжатия.

С наклепом связаны заметные, а иногда и весьма значительные изменения физических свойств.

Электроны проводимости рассеиваются точечными дефектами и дислокациями. Поэтому увеличение числа дефектов решетки при холодной пластической деформации вызывает рост электросопро­ тивления. В то время как механические свойства при больших де­ формациях изменяются в несколько или десятки раз, электросопро­ тивление у чистых металлов обычно возрастает на 2—6%.

У сплавов наблюдаются разнообразные по величине и даже разные по знаку изменения электросопротивления при холодной де­ формации. Электросопротивление неупорядоченных твердых рас­ творов изменяется при холодной деформации примерно так же, как и у чистых металлов. Если же раствор отличается дальним поряд­ ком, ближним порядком или ближним расслоением, то пластиче­ ская деформация более сложным образом изменяет электросопро­ тивление.

Возникновение при отжиге дальнего порядка (сверхструктуры) со строгой периодичностью в расположении атомов разного сорта сильно понижает электросопротивление. Холодная деформация раз­ рушает дальний порядок и соответственно сильно увеличивает элек­ тросопротивление.

У многих сплавов, содержащих переходные металлы, в том чис­

О20 ЬО 60 80 вится больше, чем в статистически не­

деформации нарушается свойственное /(-состоянию распределение атомов разного сорта и сплав переводится в состояние нееупорядоченного твердого раствора.

Дислокации закрепляют границы доменов в ферромагнетике в

42

тем самым затрудняют его намагничивание и размагничивание, ко­ торые осуществляются путем перемещений границ доменов. По­ этому с ростом плотности дислокации при увеличении степени хо­ лодной деформации снижается магнитная проницаемость и рас­ тет коэрцитивная сила.

Холодная деформация изменяет термоэлектродвижущую силу. В термопаре, состоящей из наклепанного и того же самого, но отожженного металла, термо-э. д. с. возрастает с увеличением сте­ пени холодной деформации одного из термоэлектродов.

Такое важное свойство, как модуль упругости, при наклепе ме­ няется столь незначительно, что практически этими изменениями можно пренебречь.

Холодная обработка давлением повышает химическую актив­ ность металла, ускоряя, например, растворение его в кислоте, и снижает стойкость против коррозии. Выходы дислокаций на по­ верхность металла являются центрами его растворения в коррози­ онной среде.

2. Анизотропия свойств

Свойства холоднодеформированного металла по разным направ­ лениям различны. Анизотропия свойств обусловлена двумя причи­ нами: волокнистостью структуры и текстурой деформации.

По длине разрывного образца, вырезанного поперек волокна, число межзеренных границ значительно больше, чем в образце, вы­ резанном вдоль волокна. На межзеренных границах сосредоточены примеси и неметаллические включения, например окисные плены. Естественно, что механические свойства металла вдоль и поперек волокна разные. Поэтому при контроле полуфабрикатов, получен­ ных обработкой давлением, различают «долевые» и «поперечные» образцы и соответственно «долевые» и «поперечные» свойства. Обычно показатели пластичности и ударная вязкость на попереч­ ных образцах ниже, чем на долевых.

Как известно из курса кристаллографии, каждый кристаллит анизотропен, его свойства зависят от кристаллографического на­ правления. В металле с хаотичной ориентировкой кристаллов свой­ ства по всем направлениям статистически усредняются. Такой ме­ талл квазиизотропен. В текстурованном металле с предпочтитель­ ной ориентировкой кристаллов имеются направления, вдоль кото­ рых одни свойства усилены, другие ослаблены. Поэтому текстура деформации обусловливает анизотропию свойств.

§ 7. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИ ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

Холодная обработка давлением приводит металл в неравновес­ ное состояние с повышенной свободной энергией. Наклепанный ме­ талл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное со­ стояние с меньшей свободной энергией. Восстановительные процес­ сы сводятся в основном к уменьшению общего количества дефек­

43

тов кристаллической решетки и их перераспределению в кристалли­ тах с образованием более равновесных конфигураций. Эти процес­ сы совершаются путем перемещений атомов и решающее влияние на них оказывает температура.

У большинства промышленных металлов и сплавов, исключая легкоплавкие, при комнатной температуре подвижность атомов не­ достаточна, чтобы обеспечить активное развитие восстановитель­ ных процессов, уменьшающих свободную энергию наклепанного ма­ териала. Чтобы частично или полностью устранить наклеп за прак­ тически приемлемое время, приходится проводить нагрев — отжиг после холодной обработки давлением.

В зависимости от температуры и продолжительности отжига в холоднодеформированном металле протекают различные структур­ ные изменения, которые подразделяют на процессы возврата и про­ цессы рекристаллизации.

После нагрева наклепанного металла при сравнительно низких гомологических1 температурах (для металлов обычной чистоты — ниже ~ 0,3 Тил) под световым микроскопом не наблюдаются изме­ нения формы и размеров деформированных зерен, не обнаружива­ ются новые, рекристаллизованные зерна. Однако такой дорекристаллизационный отжиг вызывает заметное изменение некоторых свойств металла, а с помощью рентгеноструктурного анализа, элек­ тронной микроскопии и других прямых и косвенных методов фик­ сируются изменения во внутреннем строении деформированных зерен.

Совокупность любых самопроизвольных процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристал­ лах до начала рекристаллизации называют возвратом. Этот соби­ рательный термин, относящийся к весьма разным по своему меха­ низму явлениям, используют в связи с тем, что некоторые свойства наклепанного металла при дорекристаллизационном отжиге частич­ но или полностью возвращаются к значениям свойств перед холод­ ной деформацией.

Если возврат протекает без образования и миграции субграниц внутри деформированных зерен, то его называют возвратом первого рода, или отдыхом. Если же при возврате внутри деформированных кристаллитов формируются и мигрируют малоугловые границы, то его называют возвратом второго рода, или полигонизацией.

I•

1. Отдых

Наши знания о механизме отдыха базируются главным образом не на прямых структурных наблюдениях поведения дефектов кри­ сталлов, а на результатах изучения кинетики изменения электросо­ противления, выделения накопленной при наклепе энергии и дру­ гих косвенных данных.

1 Гомологической или соответственной температурой называют отношение данной температуры к температуре начала плавления по абсолютной шкале.

44

где К — константа для данной температуры, зависящая от энергии

Отдых — самая низкотемпературная разновидность среди всех явлений самопроизвольного перехода наклепанного металла в бо­ лее равновесное состояние. Эксперименты с медью и золотом, де­ формированными при температуре жидкого гелия, показали, что уменьшение электросопротивления начинается уже при температу­ ре около —190°С. С повышением температуры на кривой изменения электросопротивления имеется несколько перегибов, свидетельству­ ющих о разных стадиях отдыха, разных механизмах процессов уменьшения накопленной при деформации энергии. К этим процес­ сам относятся перераспределение точечных дефектов и уменьшение их концентрации, избыточной против равновесной для данной тем­ пературы.

Межузельные атомы аннигилируют на краевых дислокациях и при встрече с вакансиями. Вакансии мигрируют к дислокациям и границам зерен и здесь аннигилируют.

Другие процессы при отдыхе — перегруппировка дислокаций и взаимная аннигиляция дислокаций разного знака. В деформирован­ ных зернах дислокации распределены неравномерно. При отжиге из-за термической активации простое и поперечное скольжение и переползание дислокаций на небольшие расстояния приводят к та­ кой их перегруппировке, что энергетические пики сглаживаются. Это можно трактовать как разрядку напряжений в тех субмикрообъемах, в которых внутренние напряжения оказались больше пре­ дела текучести при температуре отжига. Во время перегруппировок дислокации разного знака, встречаясь, аннигилируют и общая плотность дислокаций несколько снижается. Кроме указанных про­ цессов, длинные дислокационные диполи самопроизвольно разби­ ваются на небольшие замкнутые дислокационные петли, что приво­ дит к снижению упругой энергии.

На стадии отдыха все перемещения дислокаций: носят локаль­ ный характер.

45

Прямое наблюдение дислокационной структуры при комнатной температуре в алюминиевой фольге, деформированной непосредст­ венно в электронном микроскопе, показало, что при отдыхе проис­ ходит лишь небольшое перераспределение дислокаций, а плотность дислокаций существенно не уменьшается. В технических металлах и сплавах дислокации закреплены примесями, что дополнительно затрудняет их перемещение в интервале температур отдыха.

По всей видимости, после холодной обработки давлением наи­ более важным структурным изменением при отдыхе металлов и сплавов технической чистоты является уменьшение избыточной кон­ центрации точечных дефектов и, в частности, вакансий.

Скорость стока избыточных точечных дефектов зависит от тем­ пературы и энергии активации диффузии. Энергия активации диф­ фузии Q у металлов растет линейно с повышением температуры

плавления. Приняв Q=<iTn„, получаем, что ехр

ехр (— ° Тпл ). Отсюда величина ехр(—Q/RT) должна быть при-

мерно одинаковой для всех металлов при температуре составляю­ щей одну и ту же долю от температуры плавления. Следовательно, в соответствии с уравнениями (4) и (б) скорость отдыха при одина­ ковой гомологической температуре у разных металлов находится примерно на одинаковом уровне. Чем выше температура плавле­ ния, тем выше должна быть температура отжига для достижения одного и того же эффекта отдыха. Так, в холоднокатаных меди и никеле большая часть избыточных вакансий, возникших при дефор­ мации, исчезает во время отдыха — соответственно при 20 и 100°С.

по гомологической шкале (0,31 Тлл). Поэтому после холодной де­

Атомы примесей и легирующих элементов могут стать ловушка­ ми точечных дефектов. Например, энергия искажений решетки во­ круг примесного атома уменьшается, если в область искажений по­ падает вакансия. Выигрыш в энергии обеспечивает взаимное при­ тяжение вакансии и примесного атома. Кроме упругого, между ни­ ми существует и электростатическое притяжение. Атомы примесей и легирующих элементов в твердом растворе, затрудняя перемеще­ ние вакансий, уменьшают скорость отдыха.

2. Полигонизация

Для лауэграммы деформированного монокристалла характерен астеризм — радиальная вытянутость рентгеновских пятен. Астеризм обусловлен тем, что ориентация решетки в деформированном, на­ пример изогнутом, кристалле непрерывно меняется и соответствую­ щие рентгеновские рефлексы оказываются размытыми. Отжиг в определенных условиях приводит к расщеплению размытого пятна

46

на ряд пятен, причем общие очертания каждого исходного пятна астеризма сохраняются. Этот эффект, впервые обнаруженный С. Т. Конобеевским и И. И. Мирер в 1932 г. при отжиге изогнутых кри­ сталлов каменной соли, можно трактовать как самопроизвольное разделение кристалла во время возврата на слегка разориентированные фрагменты (блоки), внутри которых кристаллографические плоскости выпрямлены. Каждый блок дает свой четкий рефлекс на лауэГрамме. Малые расстояния между этими рефлексами и сохра­ нение общих очертаний исходного пятна астеризма указывают на малую угловую разориентировку блоков.

Для характеристики дорекристаллизационного отжига, при ко­ тором зерна металла подразделяются на части, слегка различаю­ щиеся между собой по кристаллографической ориентировке, в 1933 г. Е. Ф. Бахметьев, А. А. Бочвар, Г. С. Жданов и Я. С. Уманский предложили название «возврат второго рода» в отличие от возврата первого рода, не сопровождающегося образованием суб­ зерен.

В 1949 г. английский металлофизик Р. Кан обнаружил, что изо­ гнутый монокристалл цинка при отжиге разбивается на блоки, при­ чем криволинейная ось изогнутого кристалла разбивается на от­ резки, являющиеся сторонами многоугольников. Это явление было названо полигонизацией (poligon — многоугольник).

Теория дислокаций позволила объяснить механизм полигонизации. Остаточный изгиб кристалла связан с избытком краевых дис­ локаций одного знака (рис. 16,а). Соответствующие им неполные

а— хаотичное распределение краевых дислокаций в изогнутом кристалле; б — стенки из дислокаций после политонизации

вертикальные атомные плоскости, выходящие на верхнюю грань кристалла, действуют как клинья, изгибающие кристалл. При от­ жиге дислокации одного знака перераспределяются и выстраивают­ ся одна над другой ,в стенки (рис. 16,6). При этом под областью

47

разрежения от одной дислокации оказывается область сгущения от другой дислокации и поля упругих напряжений дислокаций в зна­ чительной мере взаимно компенсируются. Стенка из дислокаций не имеет дальнодействующего поля напряжений. Следовательно, об­ разование дислокационных стенок — энергетически выгодный про­ цесс, который должен идти самопроизвольно. Однако для его раз­ вития необходима термическая активация.

Дислокационные стенки в изогнутом кристалле образуются в ре­ зультате сочетания процессов скольжения и переползания дислока­ ций. Из простого сопоставления рис. 16,а и б видно, что только скольжением в горизонтальных плоскостях дислокации не могут установиться одна над другой в виде вертикальной стенки. Для этого необходимо переползание, а оно состоит в достраивании или растворении кромок неполных атомных плоскостей и обеспечивает­ ся медленным диффузионным процессом. Скорость переползания — наиболее медленного процесса — определяет скорость выстраива­ ния дислокаций в стенки.

Стенка дислокаций одного знака является малоугловой грани­ цей, разделяющей соседние субзерна с небольшой разориентировкой решеток. Таким образом, при возврате субзерна с полигональ­ ными границами возникают вследствие выстраивания дислокаций в стенки—малоугловые границы. Нагревание здесь необходимо, что­ бы активировать переползание большого числа дислокаций. Темпе­ ратура отжига для полигонизации должна быть выше, чем только для отдыха.

Простые границы наклона, состоящие из одних краевых дисло­ каций, и .соответствующие им субзерна в виде параллельных пла­ стинок, проходящих через весь кристалл, наблюдают обычно толь­ ко при отжиге после деформации, когда действует одна система скольжения. В поликристаллических металлах при средней и боль­ шой пластической деформации всегда происходит турбулентное те­ чение, скольжение идет по разным системам. Поэтому в них при отжиге образуются субзеренные границы, состоящие из смешанных дислокаций, имеющих к тому же разные векторы Бюргерса. Такие границы образуются в результате простого и поперечного скольже­ ния и переползания дислокаций, причем самым медленным являет­ ся переползание.

Субзерна, образующиеся при отжиге после холодной деформа­ ции поликристаллического металла, обычно более или менее равно­ осны, но имеют криволинейные границы. Угловая разориентировка соседних субзерен и в этом случае обусловлена избытком в субгра­ нице дислокаций одного знака. Тело субзерен свободно или почти свободно от дислокаций. Несмотря на отсутствие границ в виде правильных многоугольников, образование таких субзерен при от­ жиге также называют полигонизацией. Следовательно, термин «полигонизация» утратил свой первоначальный смысл. Теперь полиго­

низацией называют образование разделенных малоугловыми гра­ ницами субзерен путем перераспределения дислокаций с участием переползания как ведущего процесса.

48

Если при пластической деформации возникла ячеистая или суб- 'зеренная структура (см. рис. 12), то полигонизация при отжиге со­ стоит не в формировании субзерен из хаотично расположенных дис­ локаций, а в развитии имеющейся ячеистой или субзеренной струк­ туры. Размытые, плохо оформленные ячейки полностью окружают­ ся границами, объемные стенки ячеек становятся более узкими, плоскими, тело ячеек еще больше очищается от дислокаций и ячей­ ки постепенно превращаются в хорошо оформленные субзерна.

Подобрав травитель, можно металлографически выявить грани­ цы субзерен. Под микроскопом они обнаруживаются в виде цепо­ чек ямок травления, каждая из которых соответствует месту выхо­ да на поверхность шлифа дислокации внутри малоугловой грани­ цы. Чаще всего субзерепные границы видны на шлифах в виде сет­ ки тонких линий внутри зерен, границы которых выявляются в виде более толстых линий.

Субзерна, образовавшиеся при полигонизации, с увеличением времени и повышением температуры отжига стремятся укрупнить­ ся. Экспериментально установлены два механизма этого укрупне­ ния— миграция субграниц и коалесценция субзерен.

На рис. 17 схематично изображен Y-образный стык трех субзе­

и переползания. Одно скольжение не может привести к равномер­ ному распределению дислокаций после слияния стенок. Следова­ тельно, в укрупнении субзерен миграцией субграниц, как и в их формировании на первых этапах полигонизации, переполза­ ние— самый медленный процесс — играет ведущую роль.

Укрупнение субзерен путем коалесценции наблюдают при отжи­ ге фольги непосредственно в колонне электронного микроскопа. Прямые наблюдения выявили постепенное размывание субграниц и исчезновение контраста между субзернами. А это значит, что суб­ зерна приобретают одинаковую кристаллографическую ориента­ цию.

49