Вплив нагріву деформованого металу на його структуру

Та властивості

Пластична деформація приводить метал до структурно нестійкого стану з високим рівнем термодинамічного потенціалу. Тому пластично деформований метал буде прагнути до зменшення змін, що виникають при деформації, а також внутрішньої енергії.

При звичайних температурах (~20...30°С) низька дифузійна рухомість атомів забезпечує відносну стійкість деформованого стану металу. Але при нагріванні деформованого металу, в зв'язку з прискоренням руху атомів, відбуваються процеси, що приводять його в більш стійкий стан.

При незначному нагріві (для заліза до 300...400°С) прискорення дифузії атомів призводить до усунення внутрішніх напруг і відновлення кристалічної гратки шляхом зменшення густини дислокацій за рахунок їх взаємного знищення (анігіляції), злиття блоків і зменшення числа вакансій і т.д. Цей процес називається поверненням або відпочинком. У результаті цього процесу твердість і міцність трохи знижується (на 20...30%), а пластичність підвищується.

При температурах повернення можливе групування дислокацій однакових знаків у стінки, в результаті чого утворюється комірчаста структура. Це явище називається полігонізацією і вона відбувається при температурах (0,25...0,30)·Т_пл. У результаті полігонізації міцність металу знижується на 10...15% та дещо підвищується пластичність.

Нагрів деформованого металу до певної температури Т_рек (наприклад, для заліза близько 600°С) супроводжується різкою зміною мікроструктури та властивостей: замість витягнутих деформованих зерен з'являються нові рівноосні зерна, різко знижується міцність і твердість при одночасному підвищенні пластичності. Процес утворення нових рівноосних зерен замість деформованих називається рекристалізацією. Температура, при якій відбувається процес рекристалізації, називається температурою рекристалізації і вона визначається за формулою:

Т_р = а ·Т_пл, (4.4)

де Т_р, Т_пл – абсолютні температури рекристалізації та плавлення відповідно, К; а – коефіцієнт, який залежить від чистоти металу; а =0,3…0,4 – для металів звичайної технічної чистоти, а для сплавів-твердих розчинів а =0,5...0,6. Після рекристалізації метал повертається до того стану, що він мав до деформування. Схематичне зображення процесів, що відбуваються при нагріванні деформованого (наклепаного) металу, наведено на рис. 4.6, а залежність міцності (s_в) та пластичності (d) від температури нагріву - на рис. 4.7.

Рис.4.6. Схема зміни будови наклепаного металу при його нагріванні

Пластичне деформування при температурах вище за Т_рек хоча і призводить до зміцнення металу, але це зміцнення усувається процесом рекристалізації, що відбувається при цих температурах. Така обробка, при якій немає зміцнення (наклепу), називається гарячою обробкою тиском. Обробка тиском при температурах нижче Т_рек, коли має місце наклеп, називається холодною обробкою.

При підвищенні температури нагріву та тривалості витримки відбувається укрупнювання нових зерен, що утворилися при первинній рекристалізації, що викликано прагненням системи до зменшення запасу внутрішньої енергії за рахунок зменшення поверхневої енергії - чим крупніше зерна, тим менше загальна поверхня границь зерен в одиниці об'єму.

Можливі три суттєво різні механізми росту зерен:

- зародковий - суть якого полягає в тому, що після первинної рекристалізації знову виникають зародки нових кристалів, кількість яких менше ніж зерен після первинної рекристалізації; такий механізм малоймовірний;

- міграційний - полягає в переміщенні границі зерна та в збільшенні його розмірів за рахунок дрібніших термодинамічно менш стійких зерен; такий механізм може мати значення при високих температурах, коли дифузійні процеси значно прискорюються;

Рис.4.7. Залежність міцності (σ_в) і пластичності (δ) від температури нагріву: 1 – повернення; 11 – рекристалізація первинна; Ш - рекристалізація вторинна (збиральна)

- злиття зерен - полягає в поступовому "розчиненні" границь зерен і об'єднанні багатьох дрібних зерен в одне велике; такий механізм може здійснюватись при більш низькій температурі за рахунок анігіляції дефектів і знищення границь зерен.

Крім температури та тривалості рекристалізаційного відпалу на величину зерна після рекристалізації суттєво впливає ступінь деформації (рис. 4.8).

Рекристалізаційне відпалювання після відносно невеликої ступені деформації (e_кр =3...8%) призводить до різкого зростання розміру зерна за механізмом злиття. Таку ступінь деформації називають критичною. Тому, якщо після деформування здійснюватиметься рекристалізаційне відпалювання, то критичної ступені слід уникати.