Тема 2. Наклеп и рекристаллизация металлов.
2.1. Явление наклепа в металлах.
В процессе деформации изменяется не только форма металла, но и его внутреннее строение. Какими же внутренними изменениями сопровождается деформация?
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Различают упругую и пластическую деформацию.
Деформация, возникающая при сравнительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой. Существует предельное напряжение (предел упругости), при котором еще наблюдается только упругая деформация.
Пластической называют деформацию, которая не устраняется после снятия нагрузки.
При нагрузках Р (рис.2.1а), вызывающих только упругую деформацию, атомы смещаются относительно друг друга на величину, не превышающую межатомных расстояний кристаллической решетки без нарушения ближнего порядка. При снятии нагрузки атомы в этом случае восстанавливают свое первоначальное положение и деформация устраняется. Упругая деформация может быть вызвана как нормальными, так и касательными напряжениями.
При напряжениях, превышающих предел упругости, атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, большие межатомных, что приводит к сдвигу различных частей кристалла по кристаллографическим плоскостям А-А (рис.2.1б). Для металлов характерно большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигу. Поэтому пластическая деформация металла представляет собой процесс скольжения дислокаций по кристаллографическим плоскостям с более плотной упаковкой атомов, что приводит к искажению кристаллической решетки, дроблению блоков мозаичной структуры, изменению формы и ориентировки зерен. Пластическая деформация может быть вызвана только касательными напряжениями.
Рис. 2.1(а, б) Схема смещения атомов кристаллической решетки в процессе деформации
В конечном итоге дислокации начинают препятствовать перемещению друг друга. Плотность дислокаций возрастает, что снижает способность металла к пластической деформации и увеличивает его прочность. Устранение нагрузки в этом случае не приводит к восстанолвлению атомов в первоначальное положение. Наблюдается пластическая или остаточная деформация.
Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называют наклепом или нагартовкой.
С увеличением степени холодной (ниже 0,15 – 0,2Тпл) деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (пределы прочности, текучести и твердость) повышаются, а способность к пластической деформации (относительное удлинение и сужение) уменьшается (рис.2.2).
Рис. 2.2. Влияние степени пластической деформации на механические свойства низкоуглеродистой стали.
В процессе изготовления изделий обработкой давлением такое изменение механических свойств материала приводит к необходимости увеличения мощности деформирующего оборудования, а при необходимости применения больших степеней деформации – к браку из-за разрушения материала от его охрупчивания.
Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется определенной ориентировкой зерен, текстурой. В процессе деформации зерна вытягиваются, сплющиваются, сохраняя ту же площадь поперечного сечения, и поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации (рис.2.3). В результате этого возникает анизотропия свойств. С увеличением степени деформации анизотропия свойств возрастает.
Рис.2. 3. Изменение формы зерен в результате деформации: схема формы зерен до (а) и после (б) деформации.
В результате холодной пластической деформации существенно изменяются физико-химические свойства металлов. Наклепанный металл имеет меньшую плотность, что обусловлено образованием пор внутри и между зернами. Кроме того, растет электросопротивление, уменьшается теплопроводность и стойкость против коррозии. Холодная деформация ферромагнитных материалов (например, железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.
Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей. Холодная прокатка является единственным методом получения тонкого листа толщиной менее 4,0 мм, тонкостенных труб малого диаметра, тонкой проволоки.
Изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов в процессе вылеживания при комнатной температуре, а также при эксплуатации после холодной пластической деформации называется деформационным или механическим старением. Старение обусловлено термодинамической неравновесностью исходного состояния и постепенным приближением структуры к равновесному состоянию в условиях достаточной диффузионной подвижности атомов. В чистых металлах неравномерность исходной структуры состоит в избыточной (для низких температур) концентрации вакансий и других дефектов кристаллической решетки. В сплавах и металлах технической чистоты, содержащих примеси, неравновесность заключается в сохранении пересыщенного твёрдого раствора.