Содержание Введение ............................................................................................................. 3 1. Пластическая деформация металлов ........................................................... 5 2. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов ................................. 10 3. Влияние нагрева на структуру и свойства пластически деформированного металла.............................................................................. 20 Список литературы ........................................................................................... 28 Введение Знание закономерностей обработки металлов давлением помогает выбирать наиболее оптимальные режимы технологических процессов, требуемое основное и вспомогательное оборудование и технически грамотно его эксплуатировать. Металлы наряду со способностью деформироваться обладают также высокими прочностью и вязкостью, хорошими тепло- и электропроводностью. При сплавлении металлов в зависимости от свойств составляющих компонентов создаются материалы с высокой жаростойкостью и кислотоупорностью, магнитными и другими полезными свойствами. Металлургическое производство подразделяется на две основные стадии. В первой получают металл заданного химического состава из исходных материалов. Во второй стадии металлу в пластическом состоянии придают ту или иную необходимую форму при практически неизменном химическом составе обрабатываемого материала. Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используется в технике. При этом изменение формы тела осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученное изделие таким способом называют обработкой металлов давлением или пластической обработкой. Обработка металлов давлением представляет собой важный технологический процесс металлургического производства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработки существенно улучшаются механические и другие свойства металлов. Прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка представляют собой различные виды обработки металлов давлением в пластическом состоянии. Развитие прокатного производства основывается на применении принципа непрерывности самого процесса и всех технологических операций (прокатка, термическая обработка, отделка и пр.). 3 В данном случае большую роль играет внедрение достижений вычислительной техники и автоматизации на этой основе технологических процессов. Высокая производительность процессов обработки металлов давлением, сравнительно низкая их энергоемкость, а также незначительные потери металла при производстве изделий выгодно отличают их по сравнению, например, с обработкой металла резанием, когда требуемую форму изделия получают удалением значительной части заготовки в стружку. Существенным достоинством пластической обработки является значительное улучшение свойств металла в процессе деформирования. Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла. Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями. 4 1. Пластическая деформация металлов Пластическая деформация - сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла изменяются его механические и физико-химические свойства. Рассмотрела физическую сущность процесса пластической деформации. При особых условиях охлаждения металл затвердевает в виде большого кристалла правильной формы, называемого монокристаллом. Строение монокристалла определяется соответствующей кристаллической решеткой. B промышленных одновременно во условиях многих затвердевание центрах металла кристаллизации. начинается Поэтому после затвердевания такой металл состоит не из одного кристалла, а из большого числа прочно сросшихся друг с другом кристалликов неправильной формы, называемых кристаллитами или зернами. Металлы такого строения называются поликристаллическими. +Рассмотрим холодную пластическую деформацию монокристалла. Под действием внешних сил в монокристалле возникают напряжения. Пока эти напряжения не превысили вполне определенной для данного металла величины (называемой пределом упругости), происходит упругая деформация. При упругой деформации атомы отклоняются с мест устойчивого равновесия на расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки под действием межатомных сил атомы возвращаются в прежние места устойчивого равновесия, форма тела восстанавливается, при этом изменений в строении и свойствах металла не происходит. Упругая деформация сопровождается незначительным обратимым изменением объема тела, которое, например, для меди при напряжениях сжатия 100 кг/м2 (980 Мн/м2) составляет 1,3%. C увеличением внешней нагрузки увеличиваются и отклонения атомов. При определенных для данного металла напряжениях (пределе текучести) 5 атомы смещаются в новые места устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные. После снятия нагрузки форма монокристалла не восстанавливается, он получает пластическую деформацию. Необратимые смещения атомов в монокристалле происходят в основном в виде скольжения и в меньшей степени, в виде двойникования. Скольжение представляет собой смещение атомов в тонких слоях монокристалла. Смещения происходят по особым кристаллографическим плоскостям, причем расстояние между плоскостями скольжения составляет 100 200А. При определенных условиях следы скольжения можно наблюдать в виде полос на поверхности деформируемого металла. Двойникование, которое в основном происходит при ударных нагрузках, состоит в стройном смещении группы атомов относительно особой плоскости - плоскости двойникования. Смещенная часть монокристалла будет являться зеркальным отображением (двойником) недеформированной его части. Пластическая деформация монокристалла сопровождается искажениeм кристаллической структуры, образованием осколков и возникновeниeм остаточных напряжений в кристалле. Эти явления, затрудняя процесс дальнейшей деформации, вызывают изменения механических и физико-химических свойств исходного металла: прочность, твердость, электросопротивление и химическая активность увеличиваются, при oдноврeменном уменьшении пластичности, ударной вязкости, магнитной проницаемости и т. д. Совокупность изменений механических и физико-химических свойств в результате холодной пластической деформации называют упрочнением (или наклепом). Необходимо иметь в виду, что при пластической деформации никакого изменения плотности металла практически не происходит, его объем остается постоянным. 6 Как указывалось выше, применяемые в промышленности металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение. При обработке давлением таких металлов происходит пластичecкая деформация отдельных зерен путем скольжения и двойникования (аналогично монокристаллу) и смещение их относительно друг друга. Деформация сопровождается раздроблением зерен и их удлинением в направлении наибольшего течения металла.В результате этого,последиий приобретает строчечную мелкозернистую структуру, отчетливо наблюдаемую под микроскопом . Одновременно в зернах, так же как и при холодной деформации монокристалла, искажается кристаллическая структура, oбpазуются кристаллитныe осколки и возникают остаточные напряжения. Рассмотренные явления вызывают упрочнение поликристаллического металла. B большинстве сплавов всегда присутствуют нeметалличeские примеси (окислы, карбиды и т. д.), которые располагаются между зернами в виде пленок или отдельных шариков. При обработке давлением эти включения раздробляются и вытягиваются, придавая металлу волокнистое строение, котоpoе при соответствующей обработке поверхности наблюдается невооруженным глазом. Величина пластической деформации металлов ограничена их пластическими свойствами. При некоторой, вполне определенной для каждого металла, величине деформации в нем образуются микротрещины, которые при дальнейшем деформировании интенсивно развиваются и вызывают его разрушение. Большинство состоянии. металлов Объясняется это обрабатываются тем, что с давлением повышением в нагретом температуры пластичность увеличивается, сопротивление деформации уменьшается Если пластическая деформация оказывает упрочняющее влияние на металл, то повышение температуры вызывает его разупрочнение. При незначительном нагреве, увеличивающем 7 подвижность атомов, в холоднодеформированном металле уменьшаются остаточные напряжения и, в некоторой степени, устраняется искажение кристаллической решетки. При этом форма и размеры деформированных зерен не изменяются, строчечная и волокнистая структура металла полностью сохраняются. В результате рассмотренных явлений, называемых возвратом, прочностные свойства металла уменьшаются, пластические - увеличиваются. Возврат у чистых металлов происходит при температурах Тв = (0,250,3) Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления металла. Сплавы же имеют температуру возврата более высокую, чем чистые металлы. Чем выше температура нагрева, тем подвижнее атомы и тем активнее протекает возврат. При температуре выше температуры возврата в деформированном металле происходит рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых равноосных зерен неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. В результате рекристаллизации остаточные напряжения снимаются, восстанавливаются исходные его свойства и, таким образом, полностью снимается упрочнение, полученное металлом в процессе его деформирования. Если рекристаллизация ликвидирует строчечную структуру деформированного металла, то его волокнистое строение сохраняется, так как примеси между зернами являются неметаллическими веществами и рекристаллизация в них не происходит. Итак, обработка давлением металлов при повышенных температурах сопровождается одновременным действием как упрочняющих, так и разупрочняющих процессов. В зависимости от того, какие из этих процессов преобладают, обработка давлением подразделяется на холодную, неполную горячую и горячую деформацию. Холодная деформация характеризуется интенсивным упрочнением, строчечной микроструктурой и отсутствием каких-либо следов возврата и рекристаллизации. Прочность при холодной деформации резко увеличивается, а пластичность существенно уменьшается. 8 При неполной горячей деформации рекристаллизация отсутствует, но протекает процесс возврата. Чем больше скорость деформирования и ниже температура металла, тем в меньшей степени происходит разупрочнение. Поэтому, необходимо помнить, что такой деформации нельзя подвергать малопластичные металлы и сплавы. При горячей обработке давлением упрочнение, полученное металлом в процессе пластической деформации, полностью снимается рекристаллизацией, а металл получает равноосную микроструктуру, причем волокнистое строение сохраняется. Прочность и ударная вязкость волокнистого металла вдоль волокон выше, чем поперек волокон и это свойство деформированного металла используется при разработке технологического процесса изготовления деталей. Заготовку для будущей детали деформируют таким образом, чтобы направление волокон совпадало с направлением максимальных растягивающих напряжений, возникающих в детали при работе, а сами волокна огибали контур детали и не перерезывались при окончательной механической обработке изделия. 9 2. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат выделением и теплоты рекристаллизацию; и уменьшением обе стадии свободной сопровождаются энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Тпл.), рекристаллизация – при более высоких. Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются. Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях. Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла. Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций. 10 Рисунок 2.1 – Схема полигонизации: а, б – наклепанный металл до и после полигонизации соответственно Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах твердых растворах – наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами. Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Существует также температура рекристаллизации; это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла: Tрекр. =0,4Tпл. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100. 270 и 450 °С. 11 Рисунок 2.2 – Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г, д - стадии собирательной рекристаллизации Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации. Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строения. Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничтожения дислокаций; при этом между центром рекристаллизации и деформированной основой появляется высокоугловая граница. С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла. 12 Рисунок 2.3 – Схемы изменения твердости (а) и пластичности (6) наклепанного металла при нагреве: I – возврат; II – первичная рекристаллизация; III – рост зерна Рассмотренная рекристаллизацией стадия или рекристаллизации рекристаллизацией называется обработки. первичной Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла. По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии. Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем исчезают, а другие становятся более крупными, поглщая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна. Первичная 13 рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла. Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее в зависимости от температуры. Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп. Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей. Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30-200 °С/ч. Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. 14 Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Охлаждающие жидкости Охлаждающая среда Вода 10%-ный раствор в воде: NaCl, NaOH Масло минеральное Конструкционные и Температура охлаждающей среды, °С 20 - 80 20 20-200 инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при температуре 20-25 °С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 2025°С. Отпуск и старение – термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, 15 характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор. В этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении, – распад пересыщенного твердого раствора. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение. Термин «старение» – применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения. Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иногда и весь процесс термической обработки (отжиг) проводят в термических печах. Термическую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия становится более равновесным. Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновением в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или 16 заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п. Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежелательны. Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции; увеличивая запас упругой энергии, остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут достигать предела текучести. Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева. В стальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С; после выдержки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от нескольких до десятков часов и зависит от массы изделия. В сплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Например, в холоднодеформированных латунных полуфабрикатах остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-300 °С По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пределах 20-200 °С/ч. Рекристаллизационный отжиг. 17 Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет решающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на спокойном воздухе. Цель отжига – понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств, и получение заданного размера зерна. Рекристаллизационный межоперационной отжиг смягчающей часто обработки используют при в качестве холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают рекристаллизации. В на 100-200 некоторых металлах °С и выше твердых температуры растворах рекристаллизация сопровождается образованием текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает анизотропию свойств. Это позволяет улучшить те или иные свойства вдоль определенных направлений в деталях. В машиностроении и приборостроении широкое применение находят металлы и сплавы - твердые растворы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии. В таких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пластической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом. Диффузионный отжиг (гомогенизация). В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла - внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом 18 сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления. Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие кристаллизации. 19 завершиться при первичной 3. Влияние нагрева на структуру и свойства пластически деформированного металла Состояние металла, вызванное пластической деформацией, неустойчиво, о чем свидетельствует повышение его свободной энергии. Наклепанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшим уровнем свободной энергии. Этот переход совершается путем перемещения (диффузии) атомов в металле. Решающее влияние на развитие этого процесса оказывает температура. При комнатной температуре подвижность атомов для самопроизвольной перестройки структуры недостаточна и металл сохраняет свойства наклепанного состояния продолжительное время. С повышением температуры в деформированном металле начинаются процессы возврата и рекристаллизации. Возвратом называют совокупность самопроизвольных процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристаллах в результате перемещения точечных и линейных дефектов. Возврат протекает в две стадии: низкотемпературную называют возвратом первого рода или отдыхом, высокотемпературную — возвратом второго рода или полигонизацией. Отдых не вызывает изменений в микроструктуре деформированного металла. При отдыхе в основном уменьшается число точечных дефектов, преимущественно вакансий, снимается часть внутренних остаточных напряжений, устраняются искажения кристаллической решетки. Отдых приводит к уменьшению электрического сопротивления и повышению плотности металла. Полигонизация заключается в следующем. При деформации кристалла в нем увеличивается плотность дислокаций. При низких температурах их распределение беспорядочное, а при нагреве до температур, обеспечивающих достаточную подвижность дислокаций, происходит их 20 перераспределение. Дислокации противоположных знаков при встрече взаимно уничтожаются, а избыточные дислокации одного знака выстраиваются одна над другой в вертикальные дислокационные стенки. В результате кристалл разделяется на ряд фрагментов – субзерен, или полигонов, свободных от дислокаций. Таким образом, полигонизация – это образование разделенных малоугловыми границами субзерен путем перераспределения дислокаций. Субзерна, образующиеся при нагреве деформированного поликристаллического металла, очень малы и их можно различить только при больших увеличениях, например с помощью электронного микроскопа. С повышением температуры или увеличением продолжительности нагрева субзерна, возникшие при полигонизации, стремятся укрупниться, например за счет движения дислокационных границ или слияния соседних субзерен при исчезно- вании между ними дислокационной границы. Формирование и укрупнение субзерен, очищение их объема от дислокаций и уменьшение плотности дислокаций и вакансий приводят к заметному снижению прочностных характеристик и росту пластичности, а также к уменьшению внутренних напряжений и повышению стойкости против коррозии. Рекристаллизация – это процесс возникновения и роста новых недеформированных зерен. Следствием рекристаллизации являются резкие изменения структуры и свойств деформированного металла при нагреве его до высокой температуры. Рекристаллизацию подразделяют на первичную, собирательную и вторичную. Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки) – это процесс образования и роста новых недеформированных зерен за счет окружающих их деформированных зерен. Движущей ее силой является повышенная внутренняя энергия, накопленная металлом при деформации. Первичная рекристаллизация начинается 21 с формирования центров рекристаллизации – участков с неискаженной кристаллической решеткой – в тех местах, где плотность дислокаций повышена и кристаллическая решетка наиболее искажена (границы деформированных зерен, полосы скольжения и т.д.). Центры рекристаллизации растут в результате перехода (диффузии) к ним атомов из деформированного окружения. При этом граница центра рекристаллизации продвигается (мигрирует) в сторону деформированного окружения. Новые рекристаллизованные зерна с более совершенной структурой и низкой плотностью дислокаций прорастают в глубь деформированных зерен, «поедая» их. С повышением температуры появляются новые центры, из них растут новые зерна до полного исчезновения деформированной структуры. Рекристаллизацию холоднодеформированного металла объясняют следующим образом. При деформации происходит неравномерное искажение решетки и возникающие внутренние напряжения тоже распределены неравномерно. Вследствие неустойчивости напряжений искаженной решетки при нагреве возникают зародыши с устойчивой кристаллической решеткой. В дальнейшем образовавшаяся стабильная кристаллическая решетка поглощает участки решетки, искаженной деформированием. При первичной измененная в рекристаллизации результате холодного восстанавливается деформирования. структура, Волокнистая деформированная структура заменяется структурой, состоящей из зерен. Устранение дефектов кристаллического строения, вызванных пластической деформацией, и восстановление струкуры при первичной рекристаллизации сопровождаются выделением основной доли накопленной при деформации энергии, т.е. уменьшением внутренней энергии металла. Наименьшая температура рекристаллизованные зерна, нагрева, называется при которой появляются температурой начала рекристаллизации; она не является постоянной для данного металла (как, например, температура плавления), а зависит от степени предварительной деформации, продолжительности нагрева, 22 чистоты металла, влияния легирующих элементов, размера исходного (до деформации) зерна и других факторов. Так, с увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации понижается из-за уменьшения устойчивости деформированного металла, у которого при увеличении степени деформации возрастает плотность дислокаций и создается больший запас накопленной энергии. Наинизшая температура начала рекристаллизации, соответствующая сильно деформированному металлу (степень деформации более 60—70 %), называется температурным порогом рекристаллизации Тпр (рис. 3.1). Установлено, что Тпр составляет для всех металлов одинаковую долю температуры плавления по абсолютной шкале температур: 𝑇пр = 0,47𝑇пл Рисунок 3.1 – Влияние степени деформации на температуру начала рекристаллизации Коэффициент 0,47 относится к металлам технической чистоты. Для особо чистых металлов Тпр = (0,25 – 0,3)Тт. По этому соотношению можно приближенно оценить температурный порог рекристаллизации, зная температуру плавления металла. Собирательная рекристаллизация – это процесс роста одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рекристаллизо- ванных зерен. Несмотря на то что в результате первичной рекристаллизации свободная энергия металла значительно снизилась, структура его остается нестабильной. Новые, рекристаллизованные 23 зерна имеют большую протяженность границ, что приводит к повышению зернограничной (поверхностной) энергии. Укрупнение зерна обеспечивает переход металла в более устойчивое состояние, так как уменьшается суммарная протяженность границ и соответственно снижается поверхностная энергия. В реальном металле после первичной рекристаллизации у зерен неодинаковые размеры, границы зерен искривлены, имеют повышенную протяженность. Соседние зерна обладают различной поверхностной энергией. Разность поверхностных энергий является движущей силой собирательной рекристаллизации. Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к другому, крупные зерна растут за счет мелких. При повышении температуры рост зерен ускоряется и структура становится более крупнозернистой. Вторичная рекристаллизация – это процесс неравномерного роста зерен. В определенных условиях рост зерен может происходить не равномерно, как при собирательной рекристаллизации, а так, что растут и достигают очень больших размеров только отдельные зерна, тогда как в основном структура сохраняется мелкозернистой. В результате вторичной рекристаллизации возникает разнозернистая структура. Неоднородность структуры приводит к усилению неоднородности свойств металла. Размер зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации, может быть меньше или больше размера исходных (до деформации) зерен. Наибольшее подвергнутого влияние на нагреву размер металла зерен деформированного оказывают степень и затем пластической деформации и температура нагрева. Зависимость размера зерна, полученного при нагреве в одинаковых условиях (при одной и той же температуре и одинаковой продолжительности выдержки), от степени предварительной пластической деформации показана на рис. 3.2. Если степени деформации очень малы, при нагреве не происходит рекристаллизации, так как еще недостаточна накопленная металлом энергия деформации. Нагрев металла, деформированного с критической степенью деформации екр, приводит к 24 образованию структуры с зернами максимального размера. Критическая степень деформации также не обеспечивает возможности образования зародышей новых рекристаллизованных зерен, однако при нагреве отдельные зерна растут за счет соседних, достигая очень больших размеров вследствие неоднородности деформации различных зерен и наличия разности свободных энергий между соседними малодеформированными зернами. После деформации со степенью больше критической накопленной металлом энергии достаточно для начала первичной рекристаллизации. Следовательно, критической можно называть такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве начинается первичная рекристаллизация. Рисунок 3.2 - Влияние степени деформации s на размер зерна, полученного при последующем нагреве С увеличением степени деформации плотность дислокаций в металле повышается, поэтому растет число зародышей рекристаллизации. Чем больше степень предварительной пластической деформации, тем меньше размер рекристаллизо- ванного зерна. При повышении температуры нагрева процессы рекристаллизации ускоряются, усиливается рост рекристаллизован- ных зерен. Чем выше температура и больше время нагрева, рекристаллизованного зерна. 25 тем больше размер Зависимость размера зерна от степени деформации и температуры нагрева (время выдержки постоянно) часто представляют в виде диаграммы рекристаллизации (рис. 3.3). Используя диаграмму рекристаллизации, можно выяснить зависимость размера рекристаллизованного зерна от степени деформации при постоянной температуре отжига или от температуры отжига при постоянной степени деформации. На нижней части диаграммы штриховая кривая отражает зависимость температуры начала рекристаллизации от степени предварительной деформации. Размер рекристаллизованного зерна зависит и от других факторов, таких, как скорость нагрева (быстрый нагрев способствует получению более мелкого рекристаллизованного зерна), размер исходного зерна (в материале с крупнозернистой исходной структурой размер рекристаллизованного зерна обычно больше, чем в материале с мелкозернистой структурой при данной степени деформации), наличие в металле примесей, легирующих элементов и т.п. Размер рекристаллизованного зерна влияет на свойства металлов и сплавов. Так, прочность и вязкость мелкозернистых материалов более высокие. При нагреве пластически деформированного металла изменяется не только его структура, но и свойства. Например, первичная рекристаллизация приводит к снятию наклепа, созданного при пластической деформации. Начиная с некоторой температуры пластичность плавно снижается, что объясняется образованием чрезмерно крупного зерна при собирательной рекристаллизации. На практике для полного снятия наклепа металлы подвергают рекристаллизационному отжигу, который придает материалу наибольшую пластичность перед холодной обработкой давлением, снимает наклеп, восстанавливает пластичность между операциями холодного деформирования и выступает как окончательная термическая обработка для придания материалу необходимых свойств после пластической деформации. 26 Рисунок 3.3 – Диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали Для повышения пластичности без значительного снижения прочности деформированного металла, уменьшения остаточных напряжений и повышения коррозионной стойкости применяют термическую обработку – дорекристаллизационный смягчающий отжиг, обеспечивающий получение полигонизованной структуры холоднодеформированного металла. Такому отжигу подвергают, например, алюминий и некоторые его сплавы, тугоплавкие металлы (Mo, W). 27 Список литературы 1. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов: Учебник / А.М. Адаскин, А.Н. Красновский. - М.: Форум, 2018. - 592 c. 2. Алыменкова, Н.Д. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство): Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова . - М.: ИЦ Академия, 2010. - 448 c. 3. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов. - М.: МГТУ , 2008. - 648 c. 4. Батышев, А.И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / А.И. Батышев, А.А. Смолькин. - М.: Инфра-М, 2012. - 288 c. 5. Безпалько, В.И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / Под ред. А.И. Батышев, А.А. Смолькин. - М.: НИЦ Инфра-М, 2013. - 288 c. 6. Бондаренко, Г.Г. Материаловедение: Учебник для СПО / Г.Г. Бондаренко, Т.А. Кабанова, В.В. Рыбалко. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 360 c. 7. Груздев, В.С. Материаловедение: Учебник / В.С. Груздев. - М.: Академия, 2018. - 336 c. 8. Земсков, Ю.П. Материаловедение: Учебное пособие / Ю.П. Земсков. - СПб.: Лань, 2019. - 188 c. 28
