1. Основные теоретические представления

1.1. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства металлов.

Структура холоднодеформированных металлов. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической де­формации каждого зерна. При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы неодинаково, поэтому пластическая дефор­мация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме поликристалла. Под микроскопом на предварительно полированных, а затем деформированных образцах сначала можно наблюдать следы сколь­жения в виде прямых линий. В пределах отдельных зерен эти ли­нии ориентированы одинаково.При больших степенях деформации вследствие скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имеет округлую форму (рис.1, а). После деформации в резуль­тате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягивается в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую структуру (рис.1, б).

При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующих сил получила название текстуры деформации.

Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентировку (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и др.). Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств.

Наклеп. С увеличением степени холодной деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ₈, σ_0,2, твердость и др.), повышаются, а способность и пластической деформации - пластичность (δ и ψ) - уменьшается (рис.2).

Упрочнение металла в процессе пластической деформации получило название наклепа.

Наклеп объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Дефекты кристаллического строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и тем препятствует дальнейшему развитию пластической деформации. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между дислокациями тормозит дальнейшее их перемещение.

Рис. 1. Изменение формы зерна металла в результате скольжения:

а – до деформации; б – после деформации

В результате деформации уменьшается плотность металла, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление.

1.2. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.

Возврат. При нагреве деформированного металла до сравнительно низких температур (обычно ниже 0,2-0,3 Т_ПЛ) начина­ется процесс возврата, под которым понимают повышение структурного совершенства наклепанного металла вследствие уменьшения плотности дефектов строения, при этом заметных изменений в микроструктуре по сравнению с деформиро­ванным состоянием не наблюдается.

Различают две стадии возврата. При более низких темпера­турах (ниже 0,2 Т_ПТ) протекает первая стадия возврата - отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансии) и перераспределение дислокации (без образования новых субграниц).

Рис.2. Влияние степени пластической деформации на прочность (σ₈, σ_0,2, HV) и пластичность (δ) медного сплава (бронзы).

Вторая стадия возврата – полигонизация, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллитов на субзерна (полигоны) с малоугловыми границами.

При деформации кристалла возникает дислокации, беспорядочно распределенные в плоскостях скольжения. При нагреве, допускающем самодиффузию, избыточные дислокации одного знака выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к образованию в зернах поликристалла субзерен (полиго­нов), свободных от дислокаций и отделенных друг от друга малоугловыми дислокационными границами.

В процессе возврата обычный комплекс механических свойств чаще не изменяется.

Некоторые физические свойства (например, электросопротивление) в процессе возврата даже на первой его стадии восстанав­ливаются практически полностью. Это связано с уменьшением кон­центрации вакансий и перераспределением дислокаций.

Первичная рекристаллизация. При дальнейшем повышении тем­пературы подвижность атомов возрастает. В результате достижения определенной температуры возникают новые равноосные зерна.

Как видно из рис.3, до температуры t_п.р. сохраняет­ся деформированное зерно. При температуре t_п.р. в деформирован­ном металле образуются и растут зародыши новых зерен.

При нагреве наклепанного металла старое зерно не восста­навливается, а появляется совершенно новое зерно с более со­вершенной структурой, размеры которого могут существенно от­личаться от исходного. Образование новых равноосных зерен с большеугловыми границами вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизацией обработки или пер­вичной рекристаллизацией. В результате рекристаллизации наклеп практически полностью снимается и свойства приближаются к их исходным значениям, как показа­но на рис.3; в результате рекристаллизации временное со­противление разрыву σ₈, особенно предел текучести σ_0,2, резко снижаются, а пластичность δ возрастает. Разупрочнение объясняется уменьшением плотности дислокации.

Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 10¹⁰-10¹² до 10⁶-10⁷ см^-2. Наименьшую температуру начала рекристаллизации t_п.р., при которой протекает рекристаллизация и происхо­дит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.

Эта температура не является постоянной физической величиной. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т.д. Температурный порог рекристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или меньше величина зерна до деформации.

Рис. 3. Схема влияния нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочненного холодной деформацией

Температура начала рекристаллизации t_п.р. металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых ме­таллов составляет примерно 0,4 Т_ПЛ (правило A.A.Бочвара), для чистых металлов снижается до (0,1-0,2) Т_ПЛ, а для сплавов (твердых растворов) возрастает до (0,5-0,6) Т_ПЛ.

Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высо­ких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристалли­зации и полноту ее протекания. Такую термическую обработку называют рекристаллизационный отжиг.

Собирательная рекристаллизация. После завершения первич­ной рекристаллизации при последующем нагреве происходит рост одних рекристаллизационных зерен за счет других. Процесс роста новых рекристаллизованных зерен называют собирательной рекристаллизацией. Основной причи­ной собирательной рекристаллизации является стремление к умень­шению зернограничной ("поверхностной") энергии, благодаря уменьшению протяженности границ при росте зерна.

При температуре выше t₁ пластичность рекристаллизованного металла может уменьшаться, что объясняется сильным рос­том зерна.

Вторичная рекристаллизация. Если какие-то из новых зерен имеют предпочтительные условия для роста, то эту стадию рекри­сталлизации называют вторичной.

Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рас­сматривать как зародышевые центры, поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образу­ется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен, что снижает пластичность.

Размер рекристаллизованного зерна. Размер зерна после холодной пластической деформации и рекристаллизации может быть больше или меньше исходного зерна. Величина зерне зависит от температуры рекристаллизационного отжига (рис.4, а), его продолжительности (рис.4, б), степени предварительной де­формации (рис.4, в), химического состава сплава, размера исходного зерна, наличия нерастворимых примесей и т.д. При данной степени деформации с повышением температуры и при уве­личении продолжительности отжига размер зерна возрастает. Величина рекристаллизованного зерна тем меньше, чем больше сте­пень деформации (рис,4,в). При высоких степенях деформации скорость образования рекристаллизованных зародышей превышает скорость их роста, что и предопределяет образование мелкого зерна. При низких температурах, но выше t_п.р. (рис.4, б), образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу, а черва некоторый отрезок времени - так называемый инкубационный период. При малых степенях дефор­мации (рис. 4, в) нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15 %-ной деформации величина зерна после отжига резко во­зрастает и может во много раз превысить размер исходного зер­на. Такую степень деформации называют критической. После критической степени деформации рекристаллизация по меха­низму образования новых зерен и их роста отсутствует.

Нагрев после критической деформации вызывает только быст­рый рост одних исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних. При степенях деформации выше критичес­кой протекает первичная рекристаллизация.

Следовательно, критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве ста­новится возможным протекание процесса первичной рекристалли­зации.

Текстура рекристаллизации. После высоких степеней предшествующей деформации возникает текстура, которая нередко яв­ляется причиной образования при последующем нагреве текстуры рекристаллизации. В этом случае новые рекристаллизованные зерна имеют преимущественную кри­сталлографическую ориентировку. Характер текстуры рекристал­лизации определяется условиями проведения отжига, видом предшествующей обработки давлением (прокатка, волочение и т.д.), а также количеством и природой примесей.

При образовании текстуры рекристаллизации отожженный поликристаллический металл характеризуется анизотропией свойств.

Анизотропия в ряде случаев нежелательна. (Например, при глубокой штамповке листов во избежание получения таких дефек­тов, как складчатость, волнистая кромка и др.). Лист должен деформироваться во всех направлениях одинаково. В трансфор­маторной стали используют анизотропию магнитной проницаемос­ти таким образом, чтобы ее максимальное значение вдоль было параллельно направлению магнитного потока.

Холодная и горячая деформация. В зависимости от соотно­шения температур деформации и рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодную дефор­мацию проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации, поэтому она сопровождается упрочнением (на­клепом) металла.

Рис.4. Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна:

t₁<t₂<t₃, on и on’ - продолжительность инкуба­ционного периода, f и f' - критическая степень деформации

Горячую деформацию проводят при температуре выше температуры рекристаллизации (0,7-С.75 Т_ПЛ), при этом получается полностью рекристаллизованная структура. При этих температурах деформация также вызыва­ет упрочнение («горячий наклеп»), которое полностью или час­тично снимается рекристаллизацией, протекающей при температу­рах обработки и при последующем охлаждении.

В отличие от статической рекристаллизации, рассмотрен­ной ранее, процессы рекристаллизации, происходящей в период деформации, называют динамическими.

При горячей обработке давлением (ковке, прессовании, прокатке, штамповке и т.д.) упрочнение в результате наклепа (повышение плотности дислокаций) непосредственно в процессе деформации непрерывно чередуется с процессом разупрочнения (уменьшением плотности дислокаций) при динамической рекристаллизации во время деформации и охлаждения.

Когда металл после деформации имеет частично рекристаллизованную структуру, то такую обработку правильнее называть неполной горячей или теплой де­формацией. В этом случае процесс деформации металла с большими обжатиями и больших сечений затрудняется.