Тема 6. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

6.0. Введение

Большая часть работы (до 95%), затрачиваемой на деформацию металла, превращает-ся в теплоту, металл нагревается, остальная часть энергии аккумулируется в металле в виде повышенной плотности несовершенств строения. О накоплении энергии свидетельствует так же рост остаточных напряжений в результате деформации. В связи с этим состояние на-клепанного материала термодинамически неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают процессы возврата, полигонизация и рекристаллизации, обусловливающие воз-вращение всех свойств к свойствам металла до деформации.

7.1. Возврат и полигонизация

При нагреве до сравнительно низких температур (обычно (0,2 - 0,3) Тпл) начинается процесс возврата, под которым понимают повышение структурного совершенства накле-панного металла в результате уменьшения плотности дефектов строения, однако без замет-ных изменения структуры, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформирован-ным состоянием.

В процессе возврата различают две стадии:

- первая стадия возврата, сопровождаемая уменьшением точечных дефектов (вакансий) и небольшой перегруппировкой дислокаций без образования новых субграниц происходит при более низких температурах (ниже 0,2 Тпл).

- вторая стадия возврата - полигонизация, под которой понимают фрагментацию кри-сталлитов на субзерна (полигоны ) с мало угловыми границами происходит при нагреве до более высоких температур ( 0,25 - 0,3 Тпл.).

Укрупнение субзерен (полигонов) при увеличении времени или повышения темпера-туры и очищение их объема от дислокаций приводят к снижению прочности (рис. 30).

7.2. Рекристаллизация

Первичная рекристаллизация. При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает, и при достижении определенной температуры образуются новые равноосные зерна (рис. 31). При нагревании наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного.

Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой струк-туры деформированного металла называется рекристаллизацией обработки, или первичной рекристаллизацией.

В результате рекристаллизации полностью снимается наклеп и свойства приближаются к исходным значениям. Наименьшую температуру начала кристаллизации t п.р при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, темпе-ратура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степе-ни предварительной деформации, величины зерна до деформации и т.д. Температурный по-рог рекристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность на-грева или меньше величина зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной дефор-мации, для технически чистых металлов составляет 0,4 Тпл, для чистых металлов снижается до (0,1 - 0,2) Тпл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5 - 0,6) Тпл.

Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. Такая термиче-ская обработка получила название рекристаллизационный отжиг.

Собирательная рекристаллизация. После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизационных зерен за чет других. Процесс роста новых рекристаллизованных зерен называют собирательной рекри-сталлизацией, что способствует уменьшению зерно граничной (поверхностной) энергии.

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

Зерна, растущие с большей скоростью, можно условно рассматривать как зародыше-вые центры, и поэтому процесс их роста получил название вторичной кристаллизаций. В результате вторичной кристаллизации образуется большое количество мелких зерен и не-большое число очень крупных зерен, что приводит к снижению механических свойств кри-сталла.

Величина зерна после рекристаллизации. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают повышенной прочностью и вязкостью. Однако в некоторых случаях необходимо, что бы зерно было крупное (трансформаторная сталь).

Размер зерна зависит от температуры ре-кристаллического отжига, его продолжи-тельности, степени предварительной деформации, химического состава сплава, величины исходного зерна, наличия нерастворимых примесей. При данной степени деформации с по-вышением температуры и при увеличении продолжительности отжига величина зерна воз-растает (рис. 32 а). При температурах t1 и t2 (выше tп.р.) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу (рис. 32 б), а через некоторый отрезок времени (on, on) - инкуба-ционный период.

Величина рекристаллизационного зерна тем меньше, чем больше степень деформации (рис. 32 в). При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15% -ой деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во многом превысить величину исходного зерна. Такую степень деформации (f,f1) называют критической.. Такой механизм рекристаллизации, сходный со вторичной рекристаллизацией, объясняется неоднородностью деформации разных зерен при небольших степенях деформации. Поэтому при нагреве становится возможным рост менее деформированных зерен, т. е. имеющих более низкое значение энергии Гиббса, за счет более деформированных, т.е. имеющих большую энергию Гиббса. Критическая степень деформации тем меньше, чем выше температура отжига.

Следовательно, критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизация.

При уменьшении величины исходного зерна повышается критическая степень де-формации (критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная кристаллизация) и рекристаллизационное зерно становится мельче.

Текстура рекристаллизации. После высоких степеней предшествующей деформации возникает текстура, которая нередко является причиной образования при последующем на-греве текстуры рекристаллизации. В этом случае новые рекристаллизованные зерна имеют преимущественную кристаллографическую ориентацию. Характер текстуры рекристалли-зации определяется условием проведения отжига, видом предшествующей обработки давле-нием (проката, волочения), а также количеством и природой примесей. При образовании текстуры рекристаллизации отожженный поликристаллический металл, характеризуется анизотропией свойств.

Так, при глубокой штамповке листов во избежание образовании складчатости, волни-стой кромки и т.д. лист должен деформироваться во всех направлениях одинаково, поэтому анизотропия в данном случае нежелательна. Анизотропию трансформаторной стали исполь-зуют таким образом, что бы максимальное значение магнитной проницаемости вдоль на-правления [100] было параллельно направлению магнитного потока.

6.3. Холодная и горячая деформация

В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристалли-зации различают холодную и горячую деформацию.

• Холодной деформацию называют такую, которую проводят при температуре ниже темпе-ратуры рекристаллизации ( 0,3 - 0,5) Тпл;

• Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. (0,7 - 0,75) Тпл.

При этих температурах деформация также вызывает упрочнение, («горячий наклеп») которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающих при темпера-турах обработки и при последующем охлаждении. В отличии от статической полигонизации и рекристаллизации, рассмотренных ранее, процессы полигонизации и рекристаллизации, происходящие в период деформации, называют динамическими.

При горячей обработке давлением (прокатке, прессовании, ковке, штамповке) упрочнение в результате наклепа (повышение плотности дислокаций) непосредственно в процессе деформации непрерывно чередуется с процессом разупрочнения (уменьшением плотности дислокаций) при динамической полигонизации во время деформации и охлаждения. В этом основное отличие динамической полигонизации и рекристаллизации от статической.

Когда металл после деформации имеет частично рекристаллизованную структуру, то такую обработку правильнее называть неполной горячей, или теплой деформацией.