Материал для самостоятельного изучения по теме "Пластическая деформация и рекристаллизация"
Как устранить наклёп?
Но, иногда, наклёп ухудшает дальнейшую обработку. Наклёп, как нежелательный побочный эффект, наблюдается при фрезеровании пластичных и мягких металлов и сплавов, при волочении проволоки, при холодной штамповке и других технологических операциях. Примером "вредного наклёпа" может быть повторяющееся нагружение детали с превышением предела текучести материала. При таком нагружении материал в критических сечениях быстро утрачивает свою пластичность и разрушается.
Как же вернуть металлу пластичность?
Виды деформации
Упругие деформации исчезают после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций – обратимые смещения атомов тела от положения равновесия (т.е. атомы не выходят за пределы межатомных связей).
Пластические деформации – это необратимые деформации, вызванные изменением напряжений. Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью.
При изготовлении металлических изделий наиболее распространена обработка давлением (ковка, штамповка, прессование, волочение, прокатка и т.д.), когда форма изделиям придается путём пластического деформирования металла.
При пластической деформации металла одновременно с изменением формы изменяется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность.
 |  |  |
Различают:
- холодную пластическую деформацию, которая производится при температурах ниже температуры рекристаллизации (tрек);
- горячую пластическую деформацию, которая производится при температурах выше температуры рекристаллизации.
При холодной деформации всегда возникает наклёп – это упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и/или фазового состава .
Наклёпанный металл характеризуется большей твёрдостью и прочностью, меньшей пластичностью и вязкостью. При наклёпе уменьшается плотность, магнитная проницаемость, коррозионная стойкость, увеличиваются коэрцитивная сила, электросопротивление.
Рис. Изменение механических свойств сплава АМг6 при наклёпе
Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятных сжимающих остаточных напряжений, которые определяют упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации (ППД).
Упрочняющий эффект выражается в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Для получения упрочнённого наклёпом поверхностного слоя заготовку подвергают обработке различными видами ППД, например, используется обкатка роликами, дробеударная и дробеструйная обработка и др.
Причина упрочнения сплавов при холодной деформации – повышение плотности дислокаций.
Рис. Образование сжимающих напряжений при дробеударной обработке
Как определить температуру рекристаллизации?
tрекр = α·(tпл + 273) – 273,
где tпл – температура плавления сплава в градусах Цельсия; α – коэффициент, который зависит от степени чистоты металла.
Коэффициент α тем больше, чем больше в металле примесей и легирующих элементов:
- для металлов высокой чистоты - α = 0,1...0,2;
- для металлов технической чистоты - α = 0,3...0,4;
- для твёрдых растворов - α = 0,5...0,6;
- если присутствуют тугоплавкие металлы - α = 0,7...0,8.
Холодную деформацию металлов и сплавов, вызывающую упрочнение, называют нагартовкой.
Холодной деформации хорошо поддаются низкоуглеродистые стали (содержат менее 0,25% С), а также ферритные и аустенитные нержавеющие стали, однофазные сплавы меди, никеля. Сплавы после холодной деформации отличаются анизотропией свойств.
Таблица 1. Проявление анизотропии в прессованной полосе, изготовленной из сплава Al–4,5%Zn–1,8%Mg–0,8%Mn
Структура деформированного металла
Под воздействием внешних сил металл сначала деформируется упруго. При дальнейшем возрастании нагрузки деформация становится пластической, в металле происходят необратимые внутренние изменения.
В поликристаллическом металле зёрна располагаются хаотично и вначале деформируются те из них, которые имеют благоприятную ориентировку по отношению к действующим напряжениям. На рисунке показана схема изменения микроструктуры поликристаллического металла при пластической деформации.
Рис. Изменение микроструктуры поликристаллического металла при пластической деформации
Основным механизмом пластической деформации является скольжение линейных дефектов (дислокаций) под воздействием приложенных напряжений. Скольжение осуществляется достаточно достаточно легко и требует небольших усилий, чем и объясняется невысокое значение предела текучести металлов.
При малых степенях деформации результат может наблюдаться в виде полос скольжения – параллельных линий, наблюдаемых в отдельных зернах в микроскоп. На рис. показана схема скольжения в кристалле (а), линии скольжения в микроструктуре стали Гадфильда (б).
- В ОЦК кристаллических структурах обнаружены 48 системы скольжения – 8 направлений [111], вокруг каждого из которых расположено по 6 плоскостей семейства (123), (110), (112).
- В ГЦК – 12 систем скольжения: 4 плоскости (111) и три направления [110] в каждой плоскости.
- В ГПУ – 3 системы скольжения: 1 плоскость (1110) и 3 направления [1120].
Рис. Системы скольжения в кристаллах ГЦК (а); ОЦК (б); ГПУ (в)
С увеличением степени деформации скольжение распространяется и на зерна с менее благоприятной ориентировкой. Форма зерен меняется, становится вытянутой (в соответствии с приложенной нагрузкой). Создается их преимущественная кристаллографическая ориентация – текстура. В поликристаллическом металле возникает анизотропия.
При больших степенях деформации (ε ≥ 60 %) металл приобретает волокнистое строение. С увеличением степени деформации возрастает сопротивляемость металла деформированию.
Скольжению дислокаций препятствуют поля напряжений вокруг возникающих структурных несовершенств. При пластической деформации возрастает количество точечных дефектов (вакансий и дислоцированных атомов) и, что более существенно, на несколько порядков увеличивается плотность дислокаций в недеформированном металле.
Распространению сдвиговой деформации при скольжении дислокаций препятствуют также границы зерен, протяженность которых увеличивается. Все эти изменения требуют возрастающих усилий для дальнейшего деформирования.
В тех случаях, когда скольжение по каким-либо причинам затруднено, пластическая деформация осуществляется двойникованием – осуществляется поворот одной части кристалла в положение зеркально-симметричное другой его части.
На рис. показана схема двойникования (а) и двойники в микроструктуре сплавов.
Рис. Деформация двойникованием: схема (а); двойники в микроструктуре (б)
Двойникованием может быть получена незначительная степень деформации, этот механизм пластической деформации сопутствует основному механизму — скольжению. Образование двойников в металле повышает сопротивление деформации. Двойникование наблюдается при небольших пластических деформациях и чаще при больших скоростях деформирования, чем при малых.
Наиболее часто двойникование происходит в ГПУ металлах, где число систем скольжения минимально. Сплавы — твёрдые растворы гранецентрированных кубических металлов (Ag+Au, Cu+Zn, Cu+Al, Cu+In) имеют большую склонность к двойникованию, чем чистые металлы
Отжиг наклёпанного металла
После холодной деформации металла проводят отжиг при температурах, равных примерно 0,3 от температуры плавления, во время которого происходят изменения некоторых свойств в результате изменений внутреннего строения самого зерна металла. Такой отжиг называют дорекристаллизационным.
При отжиге самопроизвольно происходят диффузионные процессы, приводящие к изменению плотности и распределению дефектов в кристалле. Совокупность таких самопроизвольных процессов изменения плотности и дефектов в деформированных кристаллах до начала рекристаллизации называют возврат. Этот собирательный термин отражает явление восстановления свойств металла после деформации до уровня тех, которые были до деформации.
Возврат применяется для повышения:
- пластичности наклепанных металлов/сплавов;
- термической стабильности структуры;
- стабильности свойств
Изменение свойств деформированного металла при возврате:
- уменьшается твёрдость (НВ), прочность (σ), электрическое сопротивление (ρ) - на стадии отдыха, коэрцитивная сила (Нс), растворимость в кислотах;
- повышается пластичность (δ, ψ)
Различают две стадии возврата - отдых и полигонизацию.
Если возврат протекает без образования новых границ внутри зерна (субграниц), то его называют отдыхом или возвратом 1-го рода. На стадии отдыха происходит локальное перемещение дислокаций, уменьшение концентрации точечных дефектов, их аннигиляция и сток к границам и дислокациям, а также перераспределение дислокаций скольжением в своих плоскостях без образования новых границ. Процесс происходит при нагреве до температуры (0,05...0,2)•Тпл. Существенных изменений структуры, видимой в световом микроскопе, нет.
Отдых холоднодеформированного металла - это самопроизвольный переход наклёпанного металла при относительно низких температурах нагрева в более равновесное состояние. Уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий. В ряде металлов отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокации 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. В алюминии эти процессы происходят при температуре 0,31Тпл.
Если возврат протекает с образованием новых границ внутри деформированного зерна, его называют полигонизацией или возвратом 2-го рода. Процесс происходит при нагреве до (0,3…0,4)•Тпл и сопровождается частичной аннигиляцией дефектов и образованием областей (полигонов) внутри кристаллитов, свободных от дислокаций и отделённых друг от друга дислокационными малоугловыми границами.
Полигонизация – это перестройка и упорядочивание дислокационной структуры металлов, при которой образуются новые малоугловые границы зерен. При полигонизации образуются границы субзерен. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций, в результате кристалл разделяется на субзерна – полигоны, свободные от дислокаций.
Субзерно – часть кристалла, отделенная от соседних частей границей с малым углом (<10…15°) разориентировки кристаллической решетки по обе стороны от границы.
Полигонизация наблюдается только после небольших степеней деформаций. Полигонизация холоднодеформированного металла 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.
Рекристаллизационный отжиг – это термическая обработка деформированного металла, которая осуществляется при температуре выше tрекр.
На практике температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной температуры рекристаллизации на 200…300°С. Этот вид отжига чаще применяют как промежуточную операцию для снятия наклёпа между операциями холодного деформирования, например при волочении медной проволоки (см. рис.).
Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру рекристаллизации. Для углеродистых сталей с 0,08...0,2% С, чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига находится в интервале 680... 700 °С.
Отжиг калиброванных прутков (холодная протяжка) из высокоуглеродистой легированной стали (хромистой, хромокремнистой и др.) проводят при 680...740°С в течение 0,5...1,5 ч. Кроме рекристаллизации феррита при отжиге стали могут протекать коагуляция и сфероидизация цементита, при этом повышается пластичность, что облегчает обработку давлением.
Температуры рекристаллизационного отжига сплавов цветных металлов:
- латуней и бронз (560…700 °С);
- алюминиевых сплавов (350…450 °С);
- титановых сплавов (550…750°С).
Структурные превращения при отжиге деформированного металла приводят к его разупрочнению. Процессы возврата и рекристаллизации обуславливают возвращение всех свойств металла к свойствам до деформирования.
Рекристаллизация – процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зёрен (кристаллитов) поликристалла за счёт других той же фазы.
Условия протекания рекристаллизации:
- исходная степень деформации должна быть не меньшей некоторой минимальной, так называемой критической (εкр), как правило 3…15% (для железа ~5…6%; для меди ~5%; для алюминия ~2…3%);
- температура должна быть больше Трекр.
Рекристаллизация интенсивно протекает в пластически деформированных материалах. Так как при tрекр образование новых зерен происходит очень медленно, холоднодеформированные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры (см. рис.).
Различают три стадии рекристаллизации:
- 1-я стадия рекристаллизации (первичная рекристаллизация)
- 2-я стадия рекристаллизации (собирательная рекристаллизация)
- 3-я стадия рекристаллизации (вторичная рекристаллизация)
На рис. показано изменение микроструктуры железа - феррита на разных стадиях отжига.
Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами. В результате полностью снимается наклеп, созданный при пластическом деформировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается. Температура отжига 0,4•Тпл.
2-я стадия рекристаллизации (собирательная рекристаллизация)
При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повышением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным. Основной причиной собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению зернограничной (поверхностной) энергии благодаря уменьшению протяженности границ при росте зерна.
3-я стадия рекристаллизации (вторичная рекристаллизация)
Если какие-то из новых зерен имеют предпочтительные условия для роста, то эту стадию рекристаллизации называют вторичной. Некоторые неискаженные зерна достигают гигантских размеров, «поедая» свое мелкозернистое окружение. Неискажённые зёрна растут за счёт друг друга, вследствие чего средняя величина зерна увеличивается.
Собирательная и вторичная рекристаллизация приводят к снижению механических свойств, особенности вязкости.
Величина зерна после рекристаллизации оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают повышенной прочностью и вязкостью. Но, в некоторых случаях необходимо, чтобы металл имел крупное зерно. Например, трансформаторная сталь или техническое железо имеют наиболее высокие магнитные свойства при крупном зерне.
Размер зерна после рекристаллизации зависит:
- от температуры и продолжительности рекристаллизационного отжига — чем больше, тем крупнее зерно;
- от исходной степени деформации — максимальный размер наблюдается при критической степени деформации, а, затем с ростом исходной степени деформации размер зерна уменьшается.
- температура - скорость рекристаллизации резко (экспоненциально) возрастает с повышением температуры;
- продолжительность отжига;
- степень деформации;
- химический и фазовый составы сплава.
Во избежание сильного роста зерна при рекристаллизации деформацию стали заканчивают со степенью обжатия, больше чем критическая степень деформации, или проводят отжиг с полной фазовой перекристаллизацией.
Рис. Влияние различных факторов на размер зерна после рекристаллизационного отжига: температуры (а), продолжительности (б) и степени предварительной деформации (в)
- устраняет структурные дефекты;
- изменяет размеры зёрен;
- может изменить текстуру;
- переводит металл в равновесное состояние с большей термодинамической устойчивостью: при первичной – за счёт уменьшения деформационных искажений, при собирательной и вторичной – за счёт уменьшения суммарной поверхности границ между зёрнами;
- изменяет все структурно-чувствительные свойства деформированного материала;
- восстанавливает исходные (до деформации) структуру, текстуру и свойства;
- иногда структура и текстура после рекристаллизации отличаются от исходных, соответственно отличаются и свойства.
На фото показана зернистая структура алюминиевого биметаллического материала, полученного прокаткой. Верхняя часть биметалла состоит из сплава Al- 0,5%Fe-1%Mn (мас.%), нижняя часть — Al-1%Si (мас.%). Прокатка очень сильно деформирует структуру металла, способствует образованию тонких, удлиненных зерен, расположенных параллельно поверхности соединения.
При электрохимическом травлении в реактиве Баркера на поверхности образуется толстый оксидный слой (происходит анодирование). При изучении микроструктуры в поляризованном свете интерференция в оксидном слое создает цвета, которые зависят от ориентации зерен, следовательно, хорошо визуализируется зёренная структура.
Отжиг в течении 30 и 60 минут при 600°C вызвал рекристаллизацию в сплавах. Различия в структуре сплавов очевидны. При прокатке сплава Al-Fe-Mn деформация алюминиевой матрицы около интерметаллических частиц привела к увеличению плотности дислокаций. Во время рекристаллизации дислокации сформировали зародыши новых зерен. В сплаве Al-Fe-Mn много интерметаллидных частиц (дисперсная темная фаза на фото). Следовательно, в этом сплаве образовались мелкие зерна в большом количестве.
Сплав Al-Si перед прокаткой подвергался закалке (закалка без полиморфного превращения), в результате чего его рекристаллизованные зерна оказались намного крупнее, чем зерна сплава Al-Fe-Mn - это различие хорошо заметно в прокатанной диффузионной паре.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое деформация?
2. Чем отличается пластическая деформация от упругой?
3. Как изменяется строение металла при пластической деформации?
4. Что такое наклёп?
5. Как устранить наклёп?
6. Как определить температуру рекристаллизации металла?
7. Что такое возврат?
8. Чем отличаются стадии возврата – отдых и полигонизация?
9. Что такое рекристаллизация?
10. Какие виды рекристаллизации вы знаете?
11. Как рекристаллизация влияет на свойства деформированного металла?
12. Что такое критическая степень деформации?
13. От чего зависит размер зерна после рекристаллизации?
