Структура рекристаллизации металлов
При большом повышении температуры подвижность атомов возрастает и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост равноосных зерен. В результате металл приобретает структуру и свойства, которые имел до наклепа. Это явление называется рекристаллизацией. Температура начала рекристаллизации зависит от природы металла — его температуры плавления, а также от того, чистый это металл или сплав: где Тр и — соответственно температура рекристаллизации и плавления, К; а — коэффициент, зависящий от чистоты металла и типа сплава, для технически чистых металлов и сплавов он составляет 0,3…0,4, для сплавов типа твердый раствор — 0,5…0,6, а в некоторых случаях достигает 0,8.
Температура рекристаллизации играет важную роль в процессах обработки металлов давлением. Обработка, производимая ниже температуры рекристаллизации, вызывает наклеп и называется холодной обработкой давлением. Если обработка выполняется при температурах, превышающих температуру рекристаллизации, то это горячая обработка давлением, при которой наклепа не возникает. Поскольку температура рекристаллизации зависит от температуры плавления, то и пограничные температуры, разделяющие обработку на горячую и холодную, для разных металлов сильно отличаются. Так, пластическая деформация свинца при комнатной температуре является горячей обработкой и не вызывает наклепа. Действительно, температура плавления свинца составляет 327 °С, или 600 К. Определим температуру рекристаллизации Тр для а — 0,4 (чистый металл): Тр = 600-0,4 = 240 К = -33 °С. Таким образом, свинец будет упрочняться за счет пластической деформации, если ее выполнять при отрицательных температурах.
На практике для снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы ускорить процесс рекристаллизации. Эта операция называется рекристаллизационный отжиг. Он необходим при производстве заготовок (например, проволоки, ленты в металлургическом производстве) и деталей методами холодной пластической деформации. Так, после прокатки заготовки до определенного диаметра ее пластичность понижается настолько, что дальнейшая холодная обработка невозможна, потому что металл будет разрушаться. Для проведения дальнейшей прокатки и выполняется рекристаллизационный отжиг с целью восстановления исходной пластичности (см. рис. 2.31).
При этом структура металла не должна быть крупнозернистой, так как высокая пластичность наряду с прочностью присуща мелкозернистым сплавам. Рекристаллизация является диффузионным процессом, поэтому на величину рекристаллизованного зерна оказывают влияние температура отжига (рис. 2.32, а) и его продолжительность (рис. 2.32, б). Нагрев выше оптимальных температур и увеличение времени выдержки ускоряют диффузионные процессы. Это приводит к интенсивному росту зерен и получению в результате крупнозернистой структуры металла, то есть явно точечное строение.
Холодное и горячее деформирование
Хотя в технике обработки металлов давлением холодному деформированию обычно предшествует горячее, мы все же считаем более целесообразным начать систематическое изложение существующих здесь закономерностей с рассмотрения процессов холодного деформирования.
Часто защищавшийся ранее взгляд, что горячее деформирование принципиально отлично от холодного и может даже рассматриваться как более простой процесс, в настоящее время пересмотрен. Мы знаем теперь, что при горячем деформировании свойства материала не только не сохраняются приблизительно постоянными, как принималось ранее, но что в этом случае, как и при холодном деформировании, имеет место упрочнение материала. Однако на последний процесс одновременно. Налагаются разупрочнение и рекристаллизация, которые при холодном деформировании вызываются лишь другой рабочей операцией - отжигом. В то время как в последнем случае последовательность обоих процессов может точно регулироваться и направляться в желательном для нас смысле, совместное действие их при горячем деформировании не поддается учету и нередко приводит к нежелательным и трудно устранимым результатам.
Под холодным деформированием понимают, строго говоря, не просто формоизменение материала при комнатной (20-30°) или более низких температурах, но по существу всякий процесс деформирования в области температур, при которых сохраняется достигнутое при этом упрочнение. Для тугоплавких материалов температуры эти могут быть довольно высокими, для большинства же легкоплавких они лежат заметно ниже комнатной температуры.
Все же очень трудно провести строгое различие между холодным и горячим деформированием. Многие явления из области горячего деформирования сознательно переводятся в область холодного; в других случаях это устанавливается как нежелательный результат неизбежного охлаждения. В соответствии с общей терминологией представляется целесообразным относить к горячему деформированию все те процессы изменения формы, при которых сохранение достигнутого при этом упрочнения сомнительно в какой-либо степени. Все же для определенного материала не представляется возможным строго разграничить температурные области горячего и холодного деформирования. Поэтому считают возможным рассматривать деформирование одного и того же материала при одной и той же температуре в одном случае как холодное деформирование, в другом - как горячее. Так, о прокатке цинка при комнатной температуре говорят обычно, как о холодной прокатке. Поведение же цинка в условиях длительного, нагружения, например в условиях работы в качестве кровельного материала, ничем не отличается от повеления материала при горячем деформировании.