1.4. Наклеп и рекристаллизация металлов

Наклеп. При холодной пластической деформации, которая может происходить при различных технологических операциях (ковка, штамповка, прокатка) зернистая структура металла разрушается. В отдельном микрозерне деформация начинается с образования серии сколов по кристаллографическим плоскостям, их называют плоскостями скольжения. Скол происходит не по каждой плоскости, а пачками плоскостей, на этом этапе зерно не меняет форму и размеры (рис.1.6,а). Затем происходит сдвиг пачек плоскостей относительно друг друга – скольжение, обломки зерен вытягиваются в направлении деформации и образуют волокнистую структуру (рис.1.6,б). Одновременно, вследствие поворотов кристаллографических плоскостей, устанавливается преимущественная ориентировка кристаллической решетки относительно действующей силы. Такая волокнистая структура называется текстура деформации.

Дробление зерен сопровождается возникновением сильных искажений кристаллического строения, размножением дислокаций и их взаимным заклиниванием. В результате твердость и прочность металла сильно повышается, а пластичность резко падает (рис.1.6,в), это явление получило название наклеп или нагартовка металла.

Повышенный запас энергии холоднодеформированного металла делает его термодинамически неустойчивым. Поэтому при нагреве, когда возрастает подвижность атомов, в наклепанном металле происходят сложные процессы, ведущие к восстановлению прежней структуры и свойств. Для удобства описания происходящих в металле процессов, температуру нагрева принято выражать в долях температуры плавления Т_ПЛ.

а) б) в)

Рис.1.6. Схема изменения формы зерен до (а) и после деформации (б);

зависимость механических свойств стали от степени холодной деформации (в)

Возврат.При нагреве до температуры равной 0,2-0,3 Т_ПЛпроисходит частичное снятие упругих искажений кристаллической решетки за счет перемещения атомов на расстояния не свыше межатомных.Твердость и прочность, при этом снижаются, приблизительно на одну треть от прочности наклепанного металла, а пластичность повышается.Это явление получило названиеотдыхиливозврат. Изменение механических свойств и структуры металла в зависимости от температуры нагрева Т_ОТЖизображено на рис.1.7. Фактически возврат идет в интервале температур до Т_Р^Н, т.е. до начала процесса рекристаллизации. При возврате не отмечается каких-либо видимых изменений микро- и макроструктуры, процесс идет на дислокационном уровне (рис.1.7 – 1).

Рекристаллизация.При дальнейшем повышении температуры и возрастании подвижности атомов развиваются процессы диффузии. В результате в деформированном металле зарождаются и растут новые недеформированные зерна. Этот процесс называетсярекристаллизация.Как установил А.А. Бочвар, температура рекристаллизации связана с абсолютной температурой плавления простым соотношением:

Т_РЕКР= 0,4 Т_ПЛ.

Это соотношение справедливо для технически чистых металлов. Примеси и легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации сплавов до 0,45- 0,55 Т_ПЛ.

При рекристаллизации механические свойства полностью возвращаются к исходным, т.е. к тем, которые были до пластической деформации и наклепа (рис.1.7): твердость и прочность резко снижается, а пластичность – повышается.Процесс рекристаллизации также происходит в интервале температур от температуры начала рекристаллизации Т_Р^Ндо температуры конца рекристаллизации Т_Р^К.

Рис.1.7. Влияние температуры отжига на механические свойства и

микроструктуру (1-4) холоднодеформированного металла: 1-возврат; 2-начало рекристаллизации; 3-окончание процесса первичной рекристаллизации; 4-собирательная рекристаллизация

Изменение свойств при рекристаллизации обусловлено изменением структуры металла: на начальной стадии рекристаллизации в наклепанном металле с волокнистой структурой образуются мелкие недеформированные зерна (рис.1.7 – 2). При температуре окончания рекристаллизации структура полностью состоит из мелких недеформированных зерен (рис.1.7 – 3). Этот этап называют первичной рекристаллизацией.. Затем по мере развития процесса происходит рост зерна – укрупнение отдельных зерен за счет более мелких. Эта стадия называетсясобирательной рекристаллизацией(рис.1.7 – 4).

При температурах выше Т_П= 0,6-0,7 Т_ПЛпроисходит оплавление границ зерен, это явление называютпережог. Все механические свойства металла резко снижаются, происходит хрупкое разрушение с образованием камневидного излома.

Три фактора: степень предварительной деформации, температура нагрева и длительность выдержкинаиболее сильно влияют на процесс рекристаллизации и определяют конечную величину зерна и механические свойства сплава.