4.4. Движущие силы и кинетика термического разупрочнения

Образование зародышей

Основными процессами термического разупрочнения металлов являются полигонизация и рекристаллизация. Оба эти процесса сопровождаются появлением новых границ – малоугловых при полигонизацин и высокоугловых при рекристаллизации. Образование новых границ – один из главных механизмов структурных превращений.

Термическое разупрочнение протекает самопроизвольно, т. е. без дополнительного внешнего воздействия и сопровождается уменьшением энергии системы.

Энергия упругих напряжений, создаваемых дислокациями, пере­ходит в энергию, создаваемую границами. Иначе говоря, образование новой границы предопределяет полную или почти полную «очистку» рассматриваемого объема от дислокаций.

Рост зародышей новых зерен или субзерен

Если считать, что зародыши рекристаллизации образованы из дислокационных ячеек, то их размер r существенно меньше, чем размер зерна R после рекристаллизации: r_min= 0,1 мкм; R = 10 ÷ 100 мкм. Таким образом, R/r = 100 ÷ 1000. Заметим, что увеличение размера нового рекристаллизованного зерна сопровождается следующими энергетическими эффектами:

1) увеличением площади поверхности нового зерна, что сопровождает­ся повышением его поверхностной энергии:

ΔW_s = γ_s΄s

2) снятием деформационного упрочнения в объеме нового зерна, что сопровождается уменьшением энергии.

Если в металле прошла первичная рекристаллизация во всем объеме и деформационное упрочнение снято, т. е. Δσ = 0, это не означает, что процесс перемещения границ зерен закончен.

Движущие силы динамической рекристаллизации значительно превышают движущие силы статической.

Процессы миграции границ заканчиваются, если движущие силы обращаются в нуль.

Кинетика разупрочнения.

Если миграцию границы нового рекристаллизованного зерна принять в качестве основного механизма термического разупрочнения, поскольку упругая энергия деформационного упрочнения является основной движу­щей силой миграции границ, а после прохождения новой границы упрочнение снимается полностью, то можно получить кинетиче­ское уравнение, описывающее скорость этого процесса.

При высоких температурах термическое разупрочнение происходит достаточно быстро. Например, при температуре 1050 °С в стали ШХ15 деформационное упрочнение снимается полностью приблизительно за 1 с, при температуре Т = 950 °С – за 2,5 с.

4.5. Сопротивление деформации металлов. Релаксация напряжений

При горячей пластической деформации металлов деформирующие напряжения зависят от температуры, степени ε и скорости ε' деформации. Эти напряжения называют сопротивлением деформации и обозначают К = К(Т, ε, ε').

Как мы уже отмечали, при горячей деформации одновременно происходят деформационное упрочнение и термическое разупрочнение; первый процесс вызывает повышение деформирующих напряжений, а второй – уменьшение. Если ввести в рассмотрение координату времени t, причем t = ε/ε', где ε' – скорость деформации, т. е. значение деформации в единицу времени, (с^-1), то для T = const можно записать

К(t) = σ_s(t) – σ_r(t),

где K(t) - сопротивление деформации; σ_s(t) – значение предела текучести, зависящее от степени деформации; σ_r(t) – релаксированные напряжения.

Термин релаксация используют в материаловедении, медицине, музыке и других областях человеческой деятельности, а наиболее близким по смыслу русским аналогом является «ослабление», «снятие». Релакснрованные напряжения σ_r(t) показывают, на какое значение за время t уменьшились действующие в металле напряжения за счет внутренних процессов термического разупрочнения, которые мы рассмотрели ранее. Как видно, скорость релаксации напряжений зависит от температуры, дви­жущих сил, в том числе внешних напряжений и структуры металла (размера зерна R и параметра решетки а).

Для определения релаксационной способности металлов выполняют опыты на релаксацию напряжений. Методика их проведения состоит в мгновенном нагружении металла до напряжений σ₀, жесткой фиксации деформации образца и записи изменения напряжений во времени σ(t).