Влияние пластической деформации на структуру и механические свойства металлов и сплавов

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Различают упругую деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, и пласти­ческую, которая остается после окончания действия приложен­ных сил.

При пластическом деформировании меняется не только внешняя форма металлического тела, но и его структура, а это влечет за собой изменение механических свойств. Под действием внешних усилий первоначально округлые зерна вытягиваются в направле­нии пластического течения и при больших степенях деформации могут принять форму волокон

 

а б

Рис1 . Структура металла до деформации (а) и после (б)

Происходят изменения и во внутреннем строении каждого зер­на, которое представляет собой совокупность огромного числа элементарных кристаллических ячеек и содержит дефекты кристал­лического строения в виде вакансий, инородных атомов и дисло­кации. Наибольшее влияние на изменения в структуре и свойствах металлов оказывают дислокации. Пластическая деформация осущест­вляется путем скольжения одних атомных плоскостей относительно других, для чего затрачивается энергия внешних сил. Если в плоскости скольжения имеются дислокации, то затраты энергии на деформирование снижаются в десятки раз, т.к. благодаря им перескок огромного числа атомов, находящихся в плоскости скольжения, из своих узлов в соседние совершается не одновре­менно, а последовательно (эффект домино). Пластическое течение в этом случае осуществляется легко, пластичность металла высо­кая. В процессе деформирования происходит размножение дислока­ции за счет работы источников Франка-Рида, вследствие чего по­вышается их плотность ρ - суммарная длина дислокации в единице объема (см/см³). Если в отожженном металле плотность дислокации составляет ρ≈10⁶ – 10⁸ см^-2, то в холоднодеформированном при больших степенях деформаций она может дости­гать значения ρ= 10¹² см^-2. При такой плотности дислокациям становится тесно, они блокируют друг друга и их подвижность многократно снижается. По этой причине снижается пластичность металла и растет его прочность (рис. 2).

Рис. 2. Влияние пластической деформации на механические свойства сплава АМг5 (при t=20^вС)

Это явление получило название наклеп. При наклепе металл поглощает часть (10-15%) энергии, затраченной на деформирование, становится энергетически более напряженным. Этим объясняется изменение его физических и химических свойств:

понижение коррозионной стойкости, повышение электросопротив­ления.

Превращения в наклепанном металле при нагреве. Изменения его структуры и свойств

Наклепанный металл термодинамически неустойчив, стремит­ся возвратиться в первоначальное, равновесное состояние, вос­становить свою структуру и свойства. При низких температурах (не более 0,1 Тпл) этот процесс затруднен и наклепанное состо­яние может сохраняться довольно долго.

При нагреве пластически деформированного металла сообща­емая ему тепловая энергия повышает амплитуду колебаний ато­мов, вследствие чего повышается их диффузионная подвижность. При невысоком нагреве (0, 2 - 0,3 Тпл) за счет активизации процессов самодиффузии происходит перераспределение точечных и линейных дефектов в каждом зерне. Часть из них перемещается на границы зерна, часть аннигилирует, а часть перестраивается, образуя дислокационные стенки, т. е. границы субзерен. Уменьшение общей плотности дефектов строения, снижение внутренних напряжений сопровождается незначительным (на 10 - 15% от наклепанного) снижением прочностных свойств при одновременном повышении пластичности. Заметных изменений микроструктуры при таком нагреве не происходит.

При более высоком нагреве (0,3 - 0,4 Тпл) поисходит рез­кое изменение микроструктуры и механических свойств. На базе вытянутых в направлении деформирования зерен (волокон) зарож­даются и вырастают новые равноосные зерна с меньшим количест­вом дефектов. Это явление носит название рекристаллизации. Размер рекристаллизованных зерен значительно зависит от степени предшествующей пластической деформации. Как видно на рис. 13.4, он может оказаться больше или меньше первоначального. Объясняется это явление тем, что при малых (5 - 15%) деформациях возникает мало зародышей рекристал­лизации и зерна вырастают очень крупными. Такую степень дефор­мации называют критической (ε_кр). При дальнейшем увеличении степени деформации размер рекристаллизованных зерен умень­шается. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Мелкозернистый металл обладает повышенной прочностью и вязкостью (стойкостью к удару). Если степень деформации очень мала (меньше ε_кр), малы искажения решетки, исходные границы между зернами не разрушены и рекристаллизации не проис­ходит.

Во время рекристаллизации происходит снижение плотности дислокации до первоначального (10⁶ - 11⁸см^-2 ) уровня и высвобо­ждается накопленная в процессе холодной пластической деформа­ции энергия. Наклеп практически полностью снимается, и пластич­ность металла восстанавливается (рис. 3). Наименьшую темпе­ратуру начала рекристаллизации называют температур­ным порогом рекристаллизации. Чтобы обеспечить полноту снятия наклепа и высокую скорость процесса рекристаллизации, деформированный металл нагревают на 150 - 200 градусов выше порога рекристаллизации. Термическая обработка, которая проводится с целью снятия наклепа и восстановления пластичности деформированного металла называется рекристаллизационным отжигом

Если пластическую деформацию проводить выше порога рек­ристаллизации, то процессы наклепа и рекристаллизация будут протекать одновременно, в результате чего в деформированном металле остаточного наклепа может не быть. Такую деформацию называют горячей.

Р ис. 3. Схема изменения свойств и структуры наклепанного металла при нагреве:

I - возврат; П - первичная рекристаллизация;

Ш - собирательная рекристаллизация; IV - вторичная рекристаллизация;

а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г - собирательн ая рекристаллизация; д - вторичная рекристаллизация д - вторичная рекристаллизация

Относительная деформация, %

Рис. 13. 4. Влияние степени холодной деформаций на вели­чину зерна при рекристаллизации:

α₀ - размер исходного зерна

Во время длительной выдержки при температуре выше порога рекристаллизации будет происходить рост одних рекристаллизо-анных зерен за счет других. Это явление носит название со­бирательной рекристаллизации (рис. 13. 3, г), а его движущей силой является стремление металла как термодинамиче­ской системы, к снижению уровня зернограничной энергии. Круп­нозернистый металл имеет меньшую суммарную поверхность границ, чем мелкозернистый, поэтому и уровень свободной энергии у него меньше.