Приложение растягивающего усилия Р к такому изделию приводит к концентрации внутренних напряжений (σ = Р/S) около вершины микротрещины (рис. 1.13.). Величина этих напряжений σк зависит от глубины трещины l и радиуса кривизны в ее вершине r:

Видно, что при наличии протяженной или острой микротрещины напряжение в ее вершине σк может значительно превышать среднее, номинальное напряжение по сечению образца σ=Р/S.

Рис. 1.13. Концентрация напряжений в образце с дефектами типа трещин

Впластичных металлах пластическая деформация, возникающая в вершине трещины, сопровождается увеличением радиуса ее кривизны r, что приводит к уменьшению концентрации напряжений, согласно формуле (1.4). В таких материалах указанные дефекты обычно не представляют большой опасности.

Вхрупких материалах радиус вершины трещины может быть очень мал

(в пределе соизмерим с атомным радиусом). В этом случае σк в формуле (1.4) может возрасти до очень больших значений, превышающих предел прочности материала σв. В результате произойдет локальное разрушение материала в вершине трещины, т. е. увеличение l и, следовательно, дальнейшее возрастание σк. Этот процесс приводит к катастрофическому разрушению, скорость которого близка к скорости распространения упругих волн в твердом теле (скорость звука).

Такое поведение хрупких материалов существенно осложняет проблему создания и применения высокопрочных сплавов. Легкость скольжения дислокаций в чистых металлах обусловливает их низкую прочность, но и высокую пластичность, так как пластическая деформация осуществляется путем скольжения дислокаций. Поэтому упрочнение металлов, основанное на торможении дислокаций, приводит к снижению пластичности. В результате уменьшается надежность упрочненного материала, так как он становится чувствительным к

различного рода дефектам типа микротрещин. В связи с этим материал в зависимости от назначения и условий эксплуатации конкретного изделия должен обладать оптимальным сочетанием прочности и пластичности.

Таким образом, представления о дислокациях, рассмотренные в этом разделе, объясняют особенности поведения металлов при нагружении, их механические свойства — прочность и пластичность. На этих представлениях основаны практические методы упрочнения металлов, которые будут обсуждены ниже.

Глава 2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

2.1. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ (ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА)

Вещество может находиться в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом, и при определенных условиях (давлении р, температуре Т) переходить из одного состояния в другое. Так, при нормальном давлении металл, достигнув температуры плавления Tпл, расплавляется, становится жидким, а при температуре кипения переходит в газообразное состояние. В каждом из этих агрегатных состояний вещество может находиться бесконечно долго при заданных внешних условиях, что является признаком равновесного состояния.

Из термодинамики известно, что все самопроизвольные процессы в природе протекают в направлении уменьшения энергии системы. Поэтому равновесному состоянию вещества отвечает минимум свободной энергии F, которую для твердых и жидких тел можно записать как

F = Е-ТS, (2.1)

где Е - полная внутренняя энергия системы (сумма потенциальной и кинетической); S - энтропия (мера внутреннего беспорядка).

Свободная энергия - часть полной энергии вещества, которая может обратимо изменять свою величину при изменении температуры. Так как энтропийный член ТS возрастает с повышением температуры, то F уменьшается,

Изменение свободной энергии металла в жидком Fж и твердом Fтв состояниях с увеличением температуры показано на рис. 2.1. При Т>Т0 устойчивым является жидкое состояние, так как Fж< Fтв, при Т<Т0 - твердое, поскольку Fтв<Fж. Очевидно, что при Т=Т0 переход металла из жидкого состояния в твердое, кристаллическое - кристаллизация - невозможен, так как оба состояния одинаково устойчивы, т. е. равновероятны. Поэтому Т=Т0 называется равновесной или теоретической температурой кристаллизации (плавления). Чтобы кристаллизация завершилась, процесс должен быть энергетически выгоден систе-

ме, т. е. ее свободная энергия должна понизиться (Fтв<Fж). Для этого, как видно из рис. 2.1, расплав надо охладить до некоторой температуры Ткр, называемой фактической температурой кристаллизации. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации Т0 называется переохлаждением, а Т=Т0-Ткр - степенью переохлаждения.

Рис. 2.1. Зависимость свободных энергий твердой Fтв и жидкой Fж фаз от температуры

Итак, «движущей силой» кристаллизации является разность свободных энергий жидкой и твердой фаз F=Fж-Fтв, растущая с увеличением степени переохлаждения расплава (рис. 2.1).

2.2. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ (МЕХАНИЗМ ЗАРОЖДЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ)

Наблюдения показывают, что при переохлаждении расплава до Tкр жидкость переходит в кристаллическое состояние не мгновенно и не одновременно во всем объеме. Кристаллизация возникает локально из одного или нескольких центров и распространяется с конечной скоростью, захватывая постепенно весь объем. Развитие кристаллизации - результат двух одновременно протекающих диффузионных процессов: зарождения кристаллов и их дальнейшего роста, как это схематически показано на рис. 2.2.

Как происходит зарождение кристаллов? Что является зародышами - центрами кристаллизации?

Рис. 2.2. Схема развития процесса кристаллизации

Хорошо известно, что такую роль могут играть мельчайшие частицы самого кристалла, либо каких-то примесей, попавшие в расплав (более подробно это будет обсуждаться в разделе 2.5.2.). Но зародыши могут возникать также и в чистом расплаве. Чтобы понять это, надо вспомнить, что представляет собой расплав.

Затраченная на плавление энергия настолько увеличивает амплитуду колебаний атомов, что они получают возможность отойти от своих «правильных»

положений, расстраивая дальний порядок, свойственный кристаллу. Однако при не слишком сильном перегреве атомы в жидкости расположены не полностью хаотически, как в газе. В пределах нескольких межатомных расстояний сохраняется упорядоченное расположение атомов - ближний порядок, который одинаков для любого атома жидкости. Об этом свидетельствует сохранение координационного числа при плавлении веществ с плотными упаковками (т. е. большинства металлов) и незначительное изменение ряда их физических свойств. Поэтому при температурах, близких к Тпл , расплав по многим свойствам напоминает твердое тело, что позволяет говорить о «квазикристаллической» структуре расплава. При этом в жидком металле возможны небольшие образования с упорядоченной структурой. Наиболее крупные из них могут стать центрами кристаллизации - зародышами, рост которых в переохлажденном расплаве приводит к образованию поликристаллической структуры затвердевшего металла.

2.3.ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОТ СТЕПЕНИ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА

Теория показывает, что способность к дальнейшему росту получают лишь зародыши, размер которых r достигает некоторой критической величины rкр. Зародыши меньшего размера не являются устойчивыми образованиями, которые могли бы противостоять разрушительной силе тепловых колебаний атомов, и распадаются. Зародыши с r≥rкр растут до полного исчерпания расплава.

Образование зародышей с r=rкр происходит за счет присоединения атомов из расплава, для чёго необходима активная диффузия атомов. Скорость диффузии VД, как известно, уменьшается с понижением температуры и, следовательно, с увеличением степени переохлаждения расплава T. С этой точки зрения вероятность образования зародышей с r≥rкр уменьшается с увеличением T. С другой стороны, вероятность образования кристаллов, как отмечалось выше, увеличивается с ростом разности свободных энергий F и, следовательно, T (см. рис. 2.1). В связи с этим, скорость образования зародышей VЗ, равная числу зародышей, появляющихся в единицу времени в единице объема (т. е. размерность 1/см3 с), должна зависеть от T так, как показано на рис.2.3.

Аналогичную зависимость от степени переохлаждения имеет и скорость роста зародышей Vр - скорость увеличения линейных размеров кристалла в единицу времени (размерность – см/с). Это объясняется тем, что рост кристаллов происходит путем осаждения на их грани островков двухмерных зародышей и присоединения к ним атомов из расплава (рис. 2.4). Поэтому Vр , как и VЗ,

зительно 2 102 град/с). Такие скорости охлаждения достигаются, например, при «размазывании» струи расплава по поверхности вращающегося массивного медного диска. В настоящее время удается получать аморфные металлы и сплавы в виде ленты шириной 2...15 мм и толщиной до 50 мкм или проволоки <20 мкм.

Рис. 2.5. Зависимости скорости зарождения U3, роста Uр кристаллов и средней скорости кристаллизации V от степени переохлаждения Т

Аморфные металлы обладают рядом ценных свойств: имеют высокую прочность (превышающую прочность высокопрочных сталей), твердость, износостойкость, коррозионную стойкость, уникальные физические свойства. Это обусловлено в основном тем, что для таких материалов характерна однородная, однофазная структура, в которой отсутствуют границы зерен, дислокации, флуктуации состава и другие дефекты.

2.4. РАЗМЕР ЗЕРНА В ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАВШЕМСЯ МЕТАЛЛЕ (ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА)

Величина зерна - важный параметр металлического материала, так как при прочих равных условиях его механические свойства определяются дисперсностью структуры. В частности, измельчение зерна увеличивает протяженность межзеренных границ, являющихся барьером для скольжения дислокаций, и соответственно повышает прочность (см. раздел 1.3). Очевидно, что величина зерна определяется соотношением скоростей зарождения Vз и роста Vр кристаллов. Увеличение Vр должно приводить к укрупнению зерна, увеличение Vз - к появлению большого числа зародышей и, следовательно, к измельчению зерна. Установлено, что величина зерна V (объем кристаллика) может быть выражена соотношением

нает отставать от Vз (вследствиё увеличения F и уменьшения Vд) - измельчается.

2.5. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОГО ЗЕРНА В МЕТАЛЛЕ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Обычно следует стремиться к получению мелкозернистой структуры, так как такой металл обладает лучшими механическими свойствами, в частности более высокой прочностью. Это особенно важно, если закристаллизовавшийся металл используется в изделиях, не подвергающихся дальнейшей обработке, изменяющей его структуру. Такая ситуация имеет, например, место при эксплуатации термически не обрабатываемых литых изделий.

2.5.1. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ РАСПЛАВА

Из предыдущего раздела следует, что размер зерна в затвердевшем металле уменьшается с увеличением степени переохлаждения T. Поскольку величина T пропорциональна скорости охлаждения расплава Vохл, то измельчение зерна может быть достигнуто ускорением охлаждения расплава.

На величину зерна влияют все факторы, от которых зависит Vохл. Такими факторами являются: температуры расплава и формы, в которую он заливается, объем и конфигурация формы, теплофизические свойства материала, из которого она изготовлена и др. С этим связано, например, одно из важнейших преимуществ литья в металлические формы (кокиль) по сравнению с литьем в пес- чано-глинистые формы. Ускоренный отвод теплоты через стенки металлической формы увеличивает T и соответственно обеспечивает получение мелкого зерна и более высоких механических свойств отливки.

По этой же причине размер зерна не одинаков по сечению отливки. Наиболее мелкое зерно в наружной, корковой зоне (рис. 2.6), где максимальная скорость охлаждения.

Рис. 2.6. Схема кристаллического строения литого металла: 1 - стенка изложницы (формы); 2 - корковая зона; 3 - зона столбчатых кристаллов

Со скоростью охлаждения связаны размеры и форма кристаллов, примыкающих к корковой зоне отливки (зона столбчатых кристаллов). Они пре имущественно растут перпендикулярно стенке формы в направлении наилучшего теплоотвода. В этом направлении создается наибольшее переохлаждение, способствующёе образованию зародышей (растет F), а скорость роста достаточно высока, так как температура расплава (и скорость диффузии) повышаются от

поверхности к центру отливки. Поэтому и получаются крупные вытянутые кристаллы. В массивных отливках возможно появление и третьей зоны крупных равноосных кристаллов в центре отливки, где металл, равномерно остывая, затвердевает в последнюю очередь.

Понятно, что такая неоднородность структуры создает и неоднородность механических свойств по сечению отливки.1 Этот факт, наряду с условиями эксплуатации литого изделия, Должен учитываться при его конструировании.

2.5.2. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ. МОДИФИЦИРОВАНИЕ

Описанный выше механизм образования зародышей называется самопроизвольным. или гомогенным, так как реализуется в высокочистых однородных расплавах.

В реальных условиях расплавы технических металлов всегда содержат растворенные примеси и (или) твердые частицы различного происхождения. Эти объекты, являясь центрами кристаллизации, облегчают образование зародышей, увеличивают их количество и, следовательно, уменьшают размер зерна. Такое образование зародышей называется гетерогенным, поскольку существует готовая граница раздела двух разнородных фаз - жидкой и кристаллической.

Гетерогенный механизм образования зародышей позволяет управлять величиной (и формой) зерна в отливке путем введения в расплав специальных примесей - модификаторов. Этот процесс называется модифицированием и применяется для улучшения структуры (главным образом измельчения зерна) и механических свойств металла. Наиболее эффективными модификаторами являются примеси тугоплавких элементов (не растворяющихся в расплаве), имеющих одинаковый тип решетки с основным металлом - эти факторы наилучшим образом способствуют образованию и росту зародышей.

Важно подчеркнуть, что модифицирование фактически не влияет на химический состав металла, так как модификаторы вводятся в очень небольших количествах (сотые доли процента от массы расплава).

Модифицирование позволяет на порядок уменьшить размер зерна в металле, что приводит к значительному улучшению его механических свойств. Введение модификаторов может вызвать и более сложные изменения в структуре сплавов. Это используется, например, для эффективного повышения проч-

1 Зависимость механических свойств от структуры отливок определяется не только размерами, формой и взаимным расположением кристаллов (о чем говорилось в этом разделе), но и такими дефектами литых изделий, как раковины, поры, трещины, химическая неоднородность (ликвация). Эти дефекты являются концентраторами напряжений (см. раздел 1.3), уменьшают прочность и ударную вязкость.

Рис. 3.1. Схема изменения структуры поликристаллического металла при возрастающей степени пластической деформации ε:

а - недеформированный металл; б - сдвиги лишь в отдельных зернах по различным плоскостям скольжения; форма зерен практически не меняется; в - следы деформаций (сдвиги) во всех зернах; меняется (вытягивается) форма зерен; г - образование волокнистой структуры, ориентированной в направлении пластического течения металла (г' - поперечное сечение)

При степенях деформации1 ε>40 % деформированные зерна поворачиваются вдоль направления деформации, приобретая одинаковую кристаллографическую ориентацию - текстуру деформации. Наличие текстуры приводит к появлению анизотропии свойств поликристаллического металла (см. раздел

1.2).

Процессы сдвига, происходящие при деформировании металла, рождают множество экстраплоскостей, т. е. резко увеличивают количество дислокаций. Если в недеформированном металле плотность дислокаций р обычно составляет 106...108 см-2, то при степенях деформации ε>80...90 % ρ≈1011...1012 см-2. Значительно возрастает количество точечных и поверхностных дефектов (вакансий, межузельных атомов, границ и блоков). Такое увеличение числа дефектов решетки (в первую очередь дислокаций) затрудняет дальнейшее скольжение дислокаций, повышает сопротивление металла сдвигу, т. е. его прочность (см. раздел 1.3). Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом или нагартовкой. С другой стороны, ограничение подвижности дислокаций уменьшает способность металла к пластической деформации, т. е. снижает его пластичность.

На рис. 3.2 показано влияние степени пластической деформации на механические свойства меди.

Рис. 3.2. Влияние степени пластической деформации на механические свойства металла (медь). По оси абсцисс отложена величина вытяжки μ=S0 /S; со степенью пластической деформации ε (шкала в верхней части рисунка) она

связана соотношением ε=1-1/μ (см. примечание на с. 34)

степени переохлаждения исходной фазы.

1 Степень деформации может быть определена как ε=(S0-S)100%/S0, где S0 и S - площадь оперечного сечения образца до и после деформации соответственно.

Резкое увеличение дефектности решетки при пластической деформации отражается и на физико-химических свойствах металлов. Например, вызванные дефектами нарушения периодического электрического поля ионов решетки повышают сопротивление направленному движению электронов, рассеивая их, т. е. уменьшают электропроводность (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Влияние степени пластической деформации на относительную электропроводность меди. За 100% принята электропроводность недеформированной меди

3.2. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОИСТВА ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

Большая часть энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается). Остальная часть этой энергии (5...10 %) расходуется на повышение потенциальной энергии атомов, смещенных из исходных положений равновесия, т. е. на образование дефектов решетки. О наличии этой доли запасенной металлом энергии свидетельствует резкое повышение количества всех видов дефектов решетки, о чем говорилось в предыдущем разделе, а также рост внутренних напряжений в деформированном металле.

В главе 2 отмечалось, что состояние системы (материала) с повышенной внутренней (свободной) энергией является термодинамически неустойчивым. Поэтому неравновесная структура наклепанного металла может длительно существовать лишь при достаточно низких температурах, где диффузия атомов практически отсутствует. При нагреве такого металла до температур, при которых атомы приобретают заметную подвижность, в его структуре протекают диффузионные процессы, приводящие к постепенному возвращению свойств к исходному недеформированному состоянию с минимальной свободной энергией. Различают две основных стадии этого процесса - возврат и рекристаллизацию.

3.2.1. ВОЗВРАТ

Возврат начинается при сравнительно небольших температурах, меньших 0,2 Тпл. Процесс возврата захватывает только субструктуру зерен (изменяется форма блоков, из которых состоят зерна), форма и размер самих зерен не ме-

няются. Уменьшаются плотность дефектов решетки и остаточные напряжения. В результате несколько снижаются твердость и прочность (обычно не более 10...20 %) и повышается пластичность (рис. 3.4).

3.2.2. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

При дальнейшем повышении температуры атомы приобретают значительную подвижность. В результате появляется возможность образования зародышей новых равноосных зерен. Рост этих зародышей приводит к восстановлению не ориентированной крупнозернистой (при достаточно высоких температурах) структуры, свойственной недеформированному металлу.

Рис. 3.4. Изменение механических свойств наклепанного металла (техническое железо) при нагреве

Этот процесс зарождения и роста новых зерен называется рекристаллизацией. Первый его этап - рекристаллизация обработки (или первичная рекристаллизация) начинается при Т=Tрек, называемой температурой или порогом рекристаллизации. Температура рекристаллизации связана с температурой плавления металла соотношением1

Коэффициент а зависит от «степени дефектности решетки» (о чем подробнее в разделе 3.2.4), в частности, от чистоты металла. В металлах технической чистоты а = 0,3...0,4.

При Т=Tрек на границах деформированных зерен, где скапливаются дислокации и точечные дефекты (см. раздел 1.2) и, следовательно, наиболее высока свободная энергия и низка устойчивость, зарождаются новые равноосные зерна. Эти зерна имеют .неискаженную решетку с минимальным количеством дис-

1 Температура в этом соотношении выражается в абсолютной шкале, т. е. в К.

локаций и точечных дефектов. Образование таких зерен сопряжено с уменьшением свободной энергии (энергетически выгодно - см. раздел 2.1), т. е. переводит металл в более устойчивое состояние. Плотность дислокаций при этом падает с 1010...1012 см-2 до 106...108 см-2, снижается количество других дефектов, в результате значительно уменьшаются прочность и твердость, повышается пластичность (рис. 3.4).

Таким образом, Tрек - это температура начала рекристаллизации, при которой происходит резкое изменение свойств наклепанного металла (в частности, его разупрочнение) вследствие образования новых недеформированных зерен.

Вторым этапом процесса рекристаллизации является собирательная рекристаллизация - диффузионный рост новых зерен с неискаженной решеткой. Рост зерен происходит в результате диффузионного перемещения атомов от одних зерен к другим через границу раздела. При этом одни зерна постепенно уменьшаются и исчезают, за их счет укрупняются соседние, т. е. крупные зерна «поедают» мелкие.

Этот процесс энергетически выгоден, так как сопровождается уменьшением свободной энергии, точнее ее «поверхностной части»

Fпов = σ S, (3.2)

где S - площадь поверхности зерен; σ - поверхностная энергия.1

Укрупнение зерен приводит к уменьшению относительной доли их поверхности. Действительно, если принять форму равноосных зерен, близкой к округлой, то отношение их поверхности S к объему V будет изменяться обратно пропорционально радиусу зерна r:

Значит укрупнение зерен (увеличение их радиуса r) уменьшает площадь межзеренных поверхностей раздела S, соответственно снижается Fпов и общая свободная энергия. Это приводит структуру и свойства металла к равновесному, недеформированному состоянию — упрочнение, вызванное пластической деформацией (наклеп), ликвидируется. Повышение температуры углубляет (ускоряет) этот процесс (рис. 3.4).

Таким образом, рекристаллизация — типичный процесс кристаллизации

1 Величина σ (в физике - поверхностное натяжение на границе двух сред) характеризует различие в энергетических состояниях атомов на поверхности и внутри кристалла. На поверхности атом менее привязан к соседям, более подвижен, имеет повышенную энергию. Атом внутри кристалла находится в равновесном состоянии с минимальной энергией (в потенциальной яме) .

(см. главу 2), его движущей силой является уменьшение свободной энергии пластически деформированного металла. Механизм осуществления рекристаллизации - это диффузионные процессы зарождения и роста кристаллов новых, почти свободных от дефектов зерен с минимальной свободной энергией.

3.2.3. РАЗМЕР ЗЕРНА ПРИ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ. ДИАГРАММА РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Из предыдущего раздела ясно, что рёкристаллизация - диффузионный процесс. Поэтому рост зерна при рекристаллизации управляется законами диффузии. Это имеет важное практическое значение, поскольку позволяет, меняя режим рекристаллизационного отжига (нагрев и выдержка деформированного металла при Т>Трек), получать нужную структуру (размер зерна) и свойства металла.

Известно, что интенсивность протекания диффузионных процессов экспоненциально возрастает с температурой Т, а также пропорционально (~√τ), где τ - время выдержки, при данной Т. Поэтому размер зерна d подчиняется аналогичным зависимостям от Т и τ (рис. 3.5,a,б).

Рис. 3.5. Влияние температуры нагрева (а), времени выдержки (б) и степени пластической деформации (в) на размер зерна при рекристаллизации

Кроме того, как следует из рис. 3.5, в, размер зерна при рекристаллизации зависит от степени предшествующей пластической деформации е. Видно, что существует некоторая критическая степень деформации екр, рекристаллизационный отжиг после которой приводит к получению аномально большого зерна и соответственно ухудшению механических свойств. Отсюда для получения мелкого зерна металл в процессе обработки давлением необходимо подвергать деформациям с ε>εкр. Величина εкр для различных металлов колеблется в пре-

делах 3...15 %.

Характер зависимости d=f(ε) (рис. 3.5,в) может быть понят на основании «энергетического подхода», который применяется для объяснения процессов кристаллизации (глава 2). Его суть: самопроизвольные структурные превращения происходят лишь в направлении уменьшения свободной энергии F, поэтому для начала такого превращения необходимо, чтобы система в исходном состоянии обладала повышенным уровнем F.

Выше говорилось, что пластическая деформация приводит металл а не-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В 30 Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

равновесное состояние с повышенной свободной энергией. Очевидно, что разность свободных энергий F между пластически деформированным наклепанным состоянием Fпд и недеформированным равновесным состоянием Fр увеличивается пропорционально степени пластической деформации ε:

чит нет главного условия для образования зародышей новых зерен при рекристаллизации.

Если деформация производилась с ε>εкр, то F велика, и при нагреве такого металла выше Трек в нем протекает типичный рекристаллизационный процесс зарождения и роста новых равновесных и равноосных зерен. Причем с увеличением ε растет F, поэтому возрастает скорость образования зародышей новых зерен, а скорость их диффузионного роста практически не изменяется, так как процесс рассматривается при Т = const (>Трек). В связи с этим значительное увеличение е приводит к измельчению зерна в металле при рекристаллизационном отжиге (рис. 3.5, в).1

При относительно небольшой степени деформации ε=εкр металл деформируется неоднородно - имеются сильно деформированные зерна с большой величиной Fпд и мало деформированные с меньшей величиной Fпд. При отжиге такого металла зерна с малой величиной Fпд (т. е. более устойчивые, так как для них близка к 0) интенсивно растут за счет неустойчивых зерен с большой величиной Fпд. Этим обусловлено резкое возрастание размера зерна при отжиге металла, деформированного с ε=εкр (рис. 3.5, в).

Таким образом, размер зерна при рекристаллизации в наибольшей мере зависит от температуры нагрева и степени предшествующей пластической деформации металла. Эта зависимость d=f(Т, ε) изображается трехмерной «диаграммой рекристаллизации» (рис. 3.6). Такие диаграммы, построенные для различных промышленных сплавов, имеют важное практическое значение, поскольку позволяют выбрать режимы пластической деформации е и рекристаллизационного отжига / для получения зерна заданного размера. Напомним, что размер зерна при прочих равных условиях определяет механические и техноло-

1 Зависимость d=f(ε) подобна зависимости размера зерна при кристаллизации расплава от степени переохлаждения Т (раздел 2.4). Это связано с тем, что рост и Т и ε приводит к увеличению разности свободных энергий исходного (жидкого; деформированного) и нового (кристаллического; рекристаллизованного) состояний, соответственно повышается скорость образования зародышей нового состояния – измельчается зерно.

температура горячей обработки 900...1300 °С.

Металл после горячей обработки часто имеет анизотропные свойства. Обычно это обусловлено закономерным расположением примесей и неметаллических включений, которые вытягиваются в направлении деформации, образуя волокнистую или, иногда, полосчатую (слоистую) структуру. Рекристаллизационные процессы, протекающие при горячей обработке, не изменяют такой структуры, так как затрагивают лишь зерна самого металла.

Пониженная пластичность таких слоев приводит к значительному ухудшению свойств металла в направлении, перпендикулярном этим слоям (волокнам). При нагружении изделия вдоль слоев их отрицательное влияние почти полностью компенсируется основным металлом, занимающим подавляющую часть площади сечения и воспринимающим практически всю нагрузку.

Особенно сильно такое волокнистое строение металла отражается на анизотропии пластичности и ударной вязкости.

При измерении Этих свойств в образцах, вырезанных поперек волокон, характеристики пластичности (δ и ψ)на 20…40 %, а ударная вязкость на 50...70 % ниже, чем в «продольных» образцах.

Анизотропия свойств пластически деформированного металла должна учитываться при изготовлении изделий. Для получения наилучших эксплуатационных свойств конструкция и технология изготовления детали должны обеспечить такую конфигурацию волокнистой структуры, при которой главные действующие усилия были бы направлены не поперек, а вдоль волокон. Обычно это достигается, когда волокна огибают контуры детали.

3.4. О ПРАКТИЧЕСКОМ ЗНАЧЕНИИ ЯВЛЕНИЯ НАКЛЕПА И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Из предыдущего ясно, что пластическое деформирование металла, приводящее к наклепу, и последующий нагрев, вызывающий рекристаллизацию структуры, оказывают сильное влияние на механические и другие свойства металла. Естественно, что значение наклепа и рекристаллизации для практики огромно.

Говоря о практическом значении этих явлений, нужно учитывать два аспекта их влияния на свойства металлических изделий. Оно может быть как положительным, так и отрицательным.

Отрицательная роль наклепа проявляется главным образом в том, что он затрудняет механическую обработку при производстве заготовок и готовых изделий. В первую очередь это касается процессов обработки металлов давлением, широко применяемых в промышленности. Известно, что обработке давле-

нием подвергаются около 90 % всей выплавляемой стали и свыше 50 % цветных металлов.

В разделе 3.3 уже говорилось о том, что при горячей обработке (обычно слитков) для облегчения деформирования металла необходимо нагревать его до высоких температур, что, естественно, усложняет и удорожает процесс.

При холодной обработке (например, холодной формовке в открытых штампах, глубокой вытяжке), упрочнение и снижение пластичности металла может быть столь велико, что для продолжения деформирования необходимо вводить в технологический процесс дополнительную операцию рекристаллизационного отжига.

При обработке металлов резанием также возникает наклеп, в результате твердость обрабатываемого поверхностного слоя может повышаться в 2 раза. Глубина наклепанного слоя в зависимости от физико-механических свойств материала и условий резания может изменяться от тысячных долей до нескольких миллиметров. Этот слой затрудняет процесс резания, затупляет инструмент, вследствие чего ухудшается качество обрабатываемой поверхности. Некоторые (обычно пластичные) металлы наклепываются так сильно, что практически не поддаются обработке резанием (и давлением). Таким свойством обладает, например, сталь с высоким содержанием (13 %) марганца, поэтому детали из нее изготавливаются литьем.

Рассмотренные выше примеры, относятся в основном хотя к к важным, но не завершающим, как правило, операциям технологического процесса производства изделий. Во всяком случае, стальные изделия (а их большинство в машиностроении) после механической обработки подвергаются термической, которая и формирует их окончательную структуру и свойства.

Во многих случаях, однако, операции пластического деформирования или рекристаллизационного отжига являются завершающими в технологическом процессе и оказывают поэтому решающее влияние на эксплуатационные свойства готовых изделий. Так, для технических металлов и многих сплавов, не упрочняемых термической обработкой, наклеп — единственный способ упрочнения в достаточно больших сечениях. Это используется, например, для повышения прочности медных и алюминиевых электропроводов (табл. 3.1, см. также рис. 3.2).

Склонность к интенсивному наклепу упомянутой выше высокомарганцевой стали позволяет успешно применять ее в качестве износостойкого материала для изготовления траков гусеничных машин, крестовин рельсов, черпаков землеройных машин и т. п.