III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла

 

При деформации металла большая часть затрачиваемой работы (~95%) идет на нагрев материала, оставшаяся часть (~5%) идет на образование структурных дефектов (вакансий, дислокаций, внутренних напряжений и т.д.). Такое состояние металла с накопленными дефектами или наклепанного металла термодинамически неустойчиво. Поэтому при нагреве в нем протекают процессы, приводящие к возвращению всех свойств металла к первоначальному состоянию до деформации.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на два основных: возврат и рекристаллизацию; оба сопровождаются уменьшением свободной энер­гии. Возврат происходит при относи­тельно низких температурах (ниже 0,3 Т_пл.), рекристаллизация - при более высоких (выше 0,4 Т_пл).

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, происходит перемещение дислокаций. При низких температурах (~0,2 Т_пл) происходит сток вакансий к границам зерен, перемещение и перегруппировка дислокаций, поглощение вакансий и межузельных атомов дислокациями. Происходит также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимным уничтожением дисло­каций разных знаков и приводит к за­метному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопро­вождается уменьшением оста­точных напряжений. Отдых снижает количество точечных и линейных дефектов структуры, уменьшает удельное электрическое сопротивление, и повышает плотность металла.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каж­дого кристалла образуются новые малоугловые границы. Процесс протекает при нагреве до температуры (0,25-0,3) Т_пл. Границы возни­кают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл раз­деляется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций (рис. 42).

Полигонизация в металлах техниче­ской чистоты и в сплавах твердых рас­творов наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Этот процесс ред­ко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах.

Полигонизация холоднодеформиро­ванного металла приводит к уменьшению твер­дости и 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.

 

Рекристаллизация

При нагреве деформированного металла до более высоких температур (>0,4 Т_пл) начинается рекристаллизация (рис. 43). Образуются совершенно новые зерна, с неискаженной решеткой, отделенные от старых зерен большеугловыми границами. Размеры новых зерен могут сильно отличаться от исходных. Образование новых зерен приводит к резкому снижению плотности дислокаций и высвобождению энергии, накопленной при пластической деформации металла. Плотность дислокаций в наклепанном металле достигает r» 10¹⁰ – 10¹² м^–2, в рекристаллизованных зернах r» 10⁶ – 10⁸ м^–2

Пластически деформированные ме­таллы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой пре­вышает определенное критическое зна­чение, которое называется критической степенью деформации. Для алюминия она ~2%, для железа и меди ~5%. Если степень де­формации меньше критической, то заро­ждения новых зерен при нагреве не про­исходит.

Наименьшая темпера­тура нагрева, обеспечивающая возмож­ность зарождения новых зерен, называется температурным порогом рекристаллизации. Для алюминия, меди и же­леза технической чистоты темпера­турный порог рекристаллизации (0,4 Т_пл) равен соответственно 100, 270 и 450 °С.

Зарождение новых зерен при рекри­сталлизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен (рис. 43 б). Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает цен­тров рекристаллизации. Они представляют собой зародившиеся микроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов, которые 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, растут. Происходит переход атомов от деформированного окружения к новому зерну, при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются вглубь наклепанного металла.

Рассмотренная стадия рекристаллиза­ции называется первичной рекристалли­зацией. Первичная рекристаллизация закан­чивается при полном замещении новы­ми зернами всего объема деформирован­ного металла (рис. 43 в).

Первичная 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.

По завершении первичной рекристал­лизации при увеличении выдержки или температуры происходит рост одних образовав­шихся зерен за счет других. Рост зерен происходит вследствие того, что одни зерна постепенно увеличиваются в размерах, погло­щая соседние зерна. Эта стадия рекристал­лизации называется собирательной рекристаллизацией (рис. 43 г,д.). Процесс развивается само­произвольно в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла, из-за уменьшения зернограничной поверхностной энергии.

С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

 

На рис. 44 приведены графики изменения твердости и пластичности наклепанного металла в зависимости от температуры нагрева.

В некоторых случаях какие-то зерна имеют предпочтительные условия для роста: благоприятная для роста кристаллографическая ориентация, меньшая концентрация дефектов и т.д. Тогда эти зерна, растущие с большой скоростью, можно рассматривать как аналог центров кристаллизации. Процесс их роста называют вторичнойрекристаллизацией. В результате образуется небольшое число очень крупных зерен и множество мелких. Такая разнозернистость снижает механические свойства металлов и является нежелательной.