Влияние температуры на структуру и свойства деформированного металла

Влияние нагрева на структуру и свойства пластически деформированного металла. После пластической деформации металл находится в термодинамически неустойчивом состоянии (10% энергии деформации аккумулируется в деформированном металле) и поэтому стремится перейти в состояние более устойчивое. Однако при комнатной температуре структура и свойства деформированного металла достаточно стабильны. Процесс востановления структуры ускоряется при нагреве. Нагрев устраняет искажения в структуре и влияет на свойства деформированного металла, снижая прочностные свойства и увеличивая пластичность металла.

Отметим, что достаточно резкое изменение механических свойств происходит в определенном интервале температур отжига, в то время как электросопротивление снижается при более низких температурах. При восстановлении структуры деформированного металла путем нагрева происходят два процесса: возврат и рекристаллизация.

Процесс возврата протекает при относительно низких температурах (обычно не более 0,3 Тпл). В результате возврата восстанавливается лишь тонкая структура, а микроструктура не изменяется. В пределах деформированных зерен уменьшается концентрация точечных деффектов, перераспределяются и частично аннигилируются дислокации (линейные дефекты), уменьшаются искажения кристаллической решетки. При возврате хорошо восстанавливаются электросопротивление и плотность, механические же свойства изменяются в пределах 10..30%.

Процесс рекристаллизации развивается при более высоких температурах (обычно 0,3..0,4 Тпл). Он состоит в том, что в деформированном металле образуются центры, из которых растут зерна с малой плотностью дефектов и совершенной структурой. Центры рекристаллизации возникают в местах с наибольшей искаженностью структуры: на стыках зерен, границах блоков, субзерен, зерен на полосах скольжения. Рост новых зерен из центров развивается в результате миграции высокоугловых границ в направлении матриц с искаженной структурой. Миграции происходят за счет диффузионного перехода атомов от матрицы к растущему зерну.

Различают первичную, собирательную и вторичную рекристаллизацию. Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки) начинается с образования центров рекристаллизации и заканчивается с исчезновением последнего деформированного зерна, т.е. когда новые зерна соприкасаются. Формирование при первичной рекристаллизации более совершенной с меньшей плотностью дефектов структуры приводит к снижению прочностных свойств и повышению пластичности металла.

Собирательная рекристаллизация развивается при повышенных температурах отжига или длительных выдержках при температурах первичной рекристаллизации. В результате наблюдается укрупнение зерна. За счет уменьшения поверхностной энергии металл переходит в более стабильное состояние с меньшим термодинамическим потенциалом. При этом углы в стыках зерен приближаются к 120o.

В результате вторичной рекристаллизации, развивающейся при высоких температурах нагрева, образуется структура с высокой неоднородностью размеров зерен и пониженными механическими свойствами.

Температура рекристаллизации зависит от многих факторов: прочности межатомных связей металла, его частоты, количества легирующих элементов, степени деформации. Природа металла определяет величину межатомных сил связи, температуру плавления, диффузионную подвижность атомов в металле. Поэтому температура рекристаллизации зависит прежде всего от температуры плавления и подсчитывается по формуле Трек = КТпл, где К - коэффициент, изменяющийся в зависимости от чистоты деформированного металла в пределах 0,1..0,8 (0,1..0,2 для металлов высокой чистоты; 0,3..0,4 - технической чистоты; 0,5..0,6 - со структурой твердого раствора; 0,7..0,8 - легированных элементами с большим атомным радиусом).

Отжиг при температуре выше температуры рекристаллизации (на 150..200o C) называют рекристаллизационным. Он чато применяется на практике как межоперационная обработка для снятия наклепа и восстановления пластичности металла. Величина зерна после рекристаллизационного отжига зависит от температуры отжига и степени деформации. Чем выше температура отжига, тем крупнее зерно. Степень деформации оказывает более сложное влияние на величину зерна. Малые степени деформации (2..10%) приводят к резкому укрупнению зерна, и их называют критическими (для железа 5%, для алюминия 3%). При малых деформациях имеет место неоднородное распределение дислокаций и напряжений. Это вызывает миграцию границ зерен и рост недеформированных зерен за счет соседних деформированных (энергетически менее выгодных). При деформации выше критической степени размер зерна тем меньше, чем выше степень деформации.