5. Наклёп, возврат и рекристаллизация.

Процесс пластической деформации сопровождается изменением и измельчением формы зёрен, образованием определённой их ориентации – текстуры. Вследствие неравномерности деформации различно ориентированных зёрен, а также между отдельными участками деформируемой заготовки возникают внутренние напряжения. Области, окружающие плоскости сдвига или двойникования кристаллических решёток, вследствие их искажения, дробления кристаллитов оказываются более прочными, чем те, где этих изменений не произошло. В результате указанных изменений и возникновения внутренних напряжений образуется наклёп- упрочнение, заключающееся в изменении физико-механических свойств металла.²⁰В результате наклёпа механические свойства меняются весьма существенно: например, при степени деформации=70% среднеуглеродистой стали её временное сопротивление_в увеличивается примерно в 2 раза, а относительное удлинениеуменьшается с 30 до 2%.

Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклёпа приводит к тому, что свободная энергия металла растёт и он приходит в неравновесное, неустойчивое состояние Длительная выдержка при комнатной температуре, а тем более нагрев должны способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.²¹При нагреве наклёпанного металла происходят процессы разупрочнения, к которым относятся возврат и рекристаллизация.Возврат представляет собой частичное устранение искажений в кристаллической решётке и снятия части внутренних напряжений. Деформированная микроструктура при возврате не изменяется, но прочностные свойства несколько уменьшаются, а пластические частично увеличиваются. Тв=(0,25-0,3)Тпл, где Тпл – абсолютная температура плавления.²²Возврат происходит уже при небольшом нагреве (до 400^оС для железа).²³

Значительно большее значение в процессе разупрочнения имеет рекристаллизация, которая представляет собой возникновение при дальнейшем нагреве деформированного металла новых центров кристаллизации и зарождение вокруг них новых зёрен с образованием новых границ между ними. Новые зёрна возникают на границах блоков и старых зёрен, т.е. там, где решётка наиболее искажена при наклёпе. В результате металл приобретает равновесную поликристаллическую структуру, восстанавливает пластические свойства и становится способным к дальнейшей пластической деформации (первичная рекристаллизация). Скорость рекристаллизации зависит от температуры плавления металла и степени его деформации. Эта зависимость установлена академиком А.А. Бочваром. Для чистых металлов она составляет: Тр(0,30,4)Тпл. Для железа Тр~150^оС; алюминия~100 ^оС; для свинца~33 ^оС. Для сплавов может достигать Тр=0,8Тпл, т.к. в сплавах примеси взаимодействуют с дислокациями и ограничивают их подвижность, что затрудняет образование зародышей новых зёрен и тормозит рекристаллизацию.²⁴Процесс первичной рекристаллизации термодинамически выгоден, т.к. при переходе деформированного металла в более устойчивое равновесное состояние сопровождается уменьшением свободной энергии. Последующий рост температуры приводит ко второй стадии рекристаллизации – собирательной, состоящей в росте вновь образовавшихся новых зёрен. При укрупнении зёрен общая поверхность их границ уменьшается, что способствует переходу металла в более равновесное состояние. Движущей силой собирательной рекристаллизации является снижение поверхностной энергии.

Размер зёрен оказывает большое влияние на свойства металла. Образование крупных зёрен снижает механические свойства. Величина зерна при собирательной рекристаллизации зависит от температуры нагрева, степени предшествующей пластической деформации и, в меньшей степени, от длительности выдержки при нагреве. Наиболее крупные зёрна возникают при небольшой предварительной деформации (до 15%), которую называют критической. ²⁵

Основанием для правильного выбора температурного режима при обработке давлением является диаграмма состояния сплавов. Впервые критические точки и температурный интервал горячей обработки давлением стали были установлены знаменитым русским учёным Д.К. Черновым в 1858 году на Обуховском заводе. Он установил, что температуру начала и конца горячего деформирования определяют в зависимости от температуры плавления и рекристаллизации, т.е. начальная температура должна быть ниже температуры плавления, а конечная – выше температуры рекристаллизации. Например, для углеродистой стали температуру начала горячего деформирования выбирают по диаграмме состояния железо-углерод на 100-200 ^оС ниже температуры начала плавления стали заданного химического состава, а температуру конца деформирования углеродистых сталей принимают на 50-100 ^оС выше температуры рекристаллизации или определяют по эмпирической формулеt=100(9,1-1,1C) ^оС, где С – содержание углерода в процентах. Наибольшую температуру нагрева стали с содержанием 0,1%С принимают равной 1350 ^оС; 0,2%С-1270 ^оС; 0,6%С-1200-1180 ^оС; 1%-1120-1100 ^оС.²⁶