Упрочнение металла при холодной деформации (наклеп)

Е сли дислокация подходит к границе двух зерен и не может выйти на поверхность, она застревает. Следующие дислокации, подходят к застрявшей дислокации, образуя скопление дислокаций вблизи границ зерен. Чем мельче зерна, тем больше поверхность их раздела, и тем выше уровень напряжений, необходимый для смещения дислокаций. Напряжения скапливаются у границ зерен, все больше заполняя решетку. Для дальнейшей деформации кристалла необходимо повысить внешнее усилие. При этом происходит прорыв дислокаций через препятствие, раздробление блоков, увеличение их границ, и тем самым больше мест скопления дислокаций. Упрочнение металла в результате скопления дислокаций на границах зерен и невозможности их перемещения называется наклепом металла при холодной деформации. В результате наклепа возрастает упругое искажение кристаллической решетки, увеличивается сопротивление деформации и уменьшается пластичность. Увеличение прочности особенно интенсивно происходит на начальных стадиях деформации (до 25%).

Для упрочнения металла в него вводят атомы другого металла (легируют), т.е. повышают количество дефектов кристаллической решетки.

Таким образом, с одной стороны дефекты ослабляют металл, а с другой – затрудняют движение дислокаций, что упрочняет металл.

Кроме увеличения количества дислокаций при холодной деформации происходит и изменение формы кристаллов. Зерна, имевшие до деформации произвольную ориентацию, после деформации вытягиваются в определенном направлении. Механические свойства металла становятся неодинаковыми в различных направлениях, т.е. материал становится анизотропным. Ориентация кристаллических решеток зерен в определенном направлении с появлением анизотропии свойств называется текстурой. Таким образом, наклеп сопровождается текстурой кристаллов.

Кроме увеличения прочностных свойств при наклепе увеличивается электрическое сопротивление (до 50%), уменьшается электропроводность, коррозионная стойкость и магнитная проницаемость металлов.

Изменение свойств наклепанного металла при нагреве

При нагревании металлов до сравнительно низких температур (~0.3T_пл.) в металлах происходит процесс возврата или отдыха, при котором наклепанный металл частично разупрочняется. В процессе возврата уменьшается количество точечных дефектов, предел текучести снижается на 30%. Изменение текстуры и величины зерна при этом не происходит.

При повышении температуры нагрева происходит рекристаллизация металла. Температура начала рекристаллизации зависит от степени предшествующей деформации: чем больше степень деформации (т.е. наклеп), и тем легче и при низких температурах протекает процесс рекристаллизации. Например, в железе, деформированном на 70%, рекристаллизация начинается при 450⁰С, а при деформации 5% - при 700⁰С. Но в основном, температура начала рекристаллизации составляет 0,4Т_пл. Если дать рекристаллизации пройти до конца, то металл полностью разупрочняется, снимаются внутренние напряжения, все свойства возвращаются к ненаклепанному состоянию. Разупрочнение наклепанного металла объясняется устранением несовершенства кристаллической решетки, вызванного холодной деформацией, зарождаются и растут новые, недеформированные зерна.

Таким образом, конечный размер зерна и прочностные характеристики металла зависят от степени предшествующей деформации, температуры нагрева и времени выдержки материала при этой температуре.

На основании понятий наклепа и рекристаллизации Губкин С.И. предложил другую классификацию горячей и холодной обработки.

Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.

Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее меньше скорости деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения. Такая деформация происходит при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.

При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.

При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

По этой теории холодная и горячая деформации не связаны с нагревом, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.