17

Лекция 1.

Термомеханическая обработка - (ТМО) – это Т/О, включающая пластическую деформацию, которая благодаря повышенной плотности дефектов влияет на формирование структуры при фазовых превращениях, происходящих при температурном воздействии.

Пластическая деформация изменяет характер распределения и увеличивает плотность дислокаций, вакансий, дефектов упаковки, мало- и высокоугловых границ.

Дефекты кристаллической структуры сильно влияют на формирование структуры сплавов при фазовых превращениях. Поэтому применение пластической деформации перед фазовыми превращениями или в период их развития может способствовать получению оптимальной структуры термически обработанных сплавов.

К ТМО нельзя отнести любое сочетание операций деформирования, нагрева и охлаждения.

Например, холодная прокатка после старения может создать наклеп, повысить прочностные свойства, но она не влияет на формирование структуры при фазовых превращениях, т.к. они прошли до деформации.

Или, холодная прокатка с последующим нагревом под закалку, при котором происходит рекристаллизация, также не будет ТМО, т.к. рекристаллизованная структура имеет низкую плотность несовершенств кристаллического строения и не приведет к упрочнению материала.

Существующие схему ТМО включают в себя горячую или холодную пластическую деформацию, которая оказывает определяющие влияние на формирование структуры сплава при старении, при перлитных, бейнитных и мартенситных превращениях.

Базой для анализа изменений структуры и свойств металла при ТМО является структура при холодной и горячей деформации.

(Дополнение).

Пластическая деформация является результатом необратимого смещения атомов. В кристаллах это смещение в большинстве случаев происходит путем движения дислокаций, что является основным (другие механизмы пластической деформации – диффузионный массоперенос и зернограничное проскальзывание – будут рассмотрены далее) атомным механизмом пластической деформации. Движение дислокаций может вызвать макропластическую деформацию образца путем скольжения или двойникования. Конечным итогом такого движения являются сдвиг отдельных частей кристалла относительно друг друга или сдвиг и поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига (двойникование).

Иногда эти два способа формоизменения рассматривают как механизм пластической деформации, хотя на самом деле и при скольжении, и при двойниковании механизмом деформации остается перемещение дислокаций. И все же микро- и макро-картина пластической деформации скольжением и двойникованием существенно различаются.

В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем скольжения (деформация напоминает сдвиг карт в колоде – карты это отдельные участки образца, или иначе, группы атомных плоскостей). Скольжение и сдвиги кристаллов при низкотемпературной деформации идут вдоль определенных для каждого типа решетки кристаллографических плоскостей и направлений.

Направление скольжения всегда лежит в своей плоскости скольжения.

Их совокупность - есть система скольжения.

Низкотемпературная пластическая деформация с самого начала и до момента разрушения сопровождается повышением сопротивления материала образца деформации по мере увеличения ее степени. Иначе, для продолжения деформации требуется постоянное увеличение прилагаемого напряжения.

Это называется деформационным упрочнением. Оно обусловлено торможением дислокаций.

Деформация начинается в отдельных благоприятно расположенных зернах, где на начальной стадии деформации они скользят без серьезных помех на большие расстояния, и многие из них доходят до границ своего зерна. Граница является эффективным барьером для движения дислокаций и в местах их скопления возникают значительные поля упругих напряжений. Они действуют на границы и прилегающие к ним участки соседних зерен в дополнение к приложенным извне напряжениям. В этих условиях могут начать работать дислокационные источники на границах и приграничных областях, несмотря на относительно неблагоприятную ориентировку систем скольжения генерируемых ими дислокаций. Так происходит эстафетная передача деформации от зерна к зерну в поликристалле.

В результате интенсивной деформации приграничных объемов в них наблюдается повышенная плотность дислокаций.

Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение затруднено. Наиболее часто двойникование наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации, особенно в металлах с ГП и ОЦК решетками. В чистых ГЦК металлах деформация двойникованием происходит только при отрицательных температурах и высоких скоростях деформации.

Наиболее часто двойникование происходит в ГП металлах, где число систем скольжения минимально.

Плоскость двойникования – это обычно кристаллографическая плоскость с малыми индексами, которая является плоскостью симметрии двойника относительно исходного кристалла. На боковых границах двойника с окружающей его матрицей всегда образуется дефект упаковки. Границы эти являются когерентными, т.е. в расположении атомов по обе стороны от двойника имеется закономерная связь. Такие границы обладают относительно малой энергией и высокой устойчивостью (сохраняются даже поле высокотемпературного отжига). Торцевые границы двойников – некогерентны. Поэтому они могут расти не в ширину, а в длину за счет миграции этих некогерентных границ.

(Конец дополнения).

ТМО стареющих сплавов – три схемы ТМО; графически их можно изобразить (рис. 11.106)

НТМО – наиболее широко применяемая схема в промышленности ТМО. Основное назначение – повышение прочностных свойств.

После использования НТМО получаем более высокие значения _в, предел текучести ₀₂ и более низкие показатели пластичности.

Рис.11.106.

НТМО ВТМО ПТМО

1. Холодная деформация создает наклеп, и последующее дисперсионное твердение начинается от более высокого уровня твердости.

2. Холодная деформация увеличивает эффект дисперсионного твердения и это является наиболее важным.

По логике вещей, наклеп, повышая плотность несовершенств в кристаллах твердого раствора, должен его делать более термодинамически менее стабильным и ускорять процесс старения.

Однако экспериментальные данные и более детальный анализ показывает, что влияние наклепа связано с режимом закалки, деформации и старения, а также зависит от природы сплава, а для одного сплава - от типа выделений при старении – ГП зоны или ^/, ^// (температуры старения).

Рассмотрим влияние холодной деформации на зонное старение.

Казалось бы, что деформация, увеличивая плотность дислокаций и концентрацию вакансий, должна ускорять зонное старение.

Но, во-первых, зоны зарождаются гомогенно, а не на дислокациях, и, во-вторых, дислокации являются эффективными местами стока вакансий. Очень сильная пластическая деформация повышает концентрацию вакансий (отношение вакансий к числу атомов) всего до 10^-6, в то время как закалка создает значительно большее количество вакансий – 10^-4.

«Выметание» большого числа закалочных вакансий скользящими дислокациями при пластической деформации сплава может полностью перекрыть небольшое количество вакансия поступающих в кристалл за счет генерирования порогами скользящих дислокаций.

В результате пластическая деформация закаленного сплава замедляет зонное старение.

При медленном охлаждении с температур закалки, когда наблюдается небольшое количество закалочных вакансий, то замедление зонного старение под воздействием наклепа может и не проявиться, более того, зонное старение может ускориться, т.к. деформационные дислокации могут разрушить те скопления вакансий, которые смогли сконцентрироваться при медленном охлаждении.

Несравненно больший интерес представляет НТМО, включающее фазовое старение.

Промежуточные фазы имеют механизм гетерогенного зарождения. Поэтому в наклепанном сплаве с повышенной плотностью дислокаций фазовое старение протекает быстрее, а плотность выделений и соответственно упрочнение оказываются более высокими, чем при старении не наклепанного сплава.

Чем больше степень холодной деформации, тем выше плотность дислокаций, соответственно, плотность выделений и упрочнение при фазовом старении.

При нагреве под старение после холодной деформации рекристаллизация, как правило, не происходит, а развиваются процессы отдыха и полигонизации, несколько уменьшающие упрочнение от НТМО.

Следует отметить взаимное влияние этих процессов друг на друга: выделения тормозят полигонизацию, которая, если она успела произойти, изменяет плотность и характер распределения выделений.

Холодный наклеп не только ускоряет распад раствора и увеличивает плотность дислокаций. Он может вызвать появление фазы, которая без наклепа, при том же режиме старения, не выделяется, и способен изменить последовательность появления фаз при старении (предварительное старение формирует дополнительные центры фазовое кристаллизации).

Если перед пластической деформацией раствор претерпел частичный распад, то это сказывается на кинетике окончательного старения и свойствах сплава. Экспериментальные данные показывают, что старение перед пластической деформацией может не только ускорить заключительное старения, но и усилить упрочнение от него.

НТМО широко применяют в технологии производства полуфабрикатов и изделий из стареющих алюминиевых сплавов и аустенитных сталей.

Полуфабрикаты из стареющих алюминиевых сплавов (профили, панели, трубы, листы) после закалки обязательно правят растяжением. Степень деформации при правке обычно невелика – не более 3%. Но даже небольшая холодная деформация со степенью 1-3% может сильно увеличить упрочнение при последующем искусственном старении. Например, предел текучести дуралюмина Д16, состаренного при 190⁰С, в результате применения перед старением растяжки всего 1,5%, возрастает с 400 до 455 МПа. Технологический процесс по схеме: закалка  правка  старение обычно не называют ТМО, но фактически он является типичной НТМО.

Применение НТМО постоянно расширяется, но при ее назначении необходимо учитывать и возможно отрицательные последствия – снижение пластичности, характерной для большинства сплавов, уменьшение сопротивлению ползучести некоторых алюминиевых сплавов и некоторых других характеристик (анизотропию свойств).

ВТМО

При ВТМО проводят горячую деформацию, закалку с деформационного нагрева и старение.

Сущность ВТМО состоит в том, что после горячей деформации и закалки получается пересыщенный твердый раствор с нерекристаллизованной структурой, т.е. с повышенно плотностью несовершенств (границ субзерен, свободных дислокаций). В результате старения после такой обработки получают повышенные механические свойства.

В большинстве случаев оптимальной является матрица с полигонизованной структурой твердого сплава. При поведении ВТМО должны выполняться минимум три условия:

1. Получение к концу деформации нерекристаллизованной структуры;

2. Предотвращение возможной рекристаллизации после деформации;

3. Получение необходимой для старения степени пересыщенности твердого раствора.

Если первых два условия не выполнены и закаленный сплав полностью рекристаллизован, то мы имеем дело не с ВТМО, а с закалкой, проведенной с деформационного нагрева.