Наклеп и рекристаллизация металлов

Наиболее впечатляющим свойством металлов при пластической деформации является деформационное упрочнение, или способность металлов становиться прочнее при деформации. Из дислокационной теории следует, что для упрочнения металлов необходимо каким-либо образом затруднить движение дислокаций.

Существует несколько способов упрочнения или закрепления дислокаций, одним из них является упрочнение кристалла пластической деформацией. Ранее рассмотренный простейший способ введения дислокаций в кристалл при сдвиге показывает, что рост пластической деформации увеличивает количество дислокаций в кристалле. Чем сильнее воздействие на металл, тем больше в нем образуется дислокаций. На начальной стадии деформация происходит за счет скольжения относительно небольшого количества дислокаций. В процессе деформирования количество движущихся в кристалле дислокаций постоянно увеличивается, что затрудняют их скольжение. Возникают скопления дислокаций, которые уже неспособны перемещаться по кристаллу. Такие закрепленные дислокации затрудняют движение вновь возникающих дислокаций, т. е. упрочнение металла создается самими дислокациями. В этом случае говорят об упрочнении пластической деформацией или просто о наклепе металла.

Пластическая деформация оказывает существенное влияние на механические свойства металла и его структуру (см. рис. 6).

 

	d

Рис. 6. Изменение структуры и свойств деформированного металла

в зависимости от степени деформации

 

На рис. 6 показано, как под действием приложенной нагрузки зерна, из которых состоят все технические металлы, начинают деформироваться и вытягиваться; объем зерен и их количество при этом не изменяется. Внутри каждого зерна, особенно по его границам, сосредотачивается большое количество дислокаций, плотность которых возрастает от 10⁶–10⁷ см^-2 (для недеформированного металла) и до 10¹⁰–10¹² см^-2 (для деформированного). Кристаллическая решетка зерен становится искаженной (несовершенной), это состояние является структурно неустойчивым. С увеличением степени деформации прочность металла увеличивается, а пластичность уменьшается, что может привести к возникновению трещин и разрушению (при большой степени деформации).

Для снятия наклепа деформированный металл нагревают, в результате сначала происходят процессы возврата и полигонизации, приводящие к перераспределению и уменьшению концентрации структурных несовершенств (точечных и линейных дефектов) в кристаллической решетке. При дальнейшем повышении температуры начинается основной процесс, возвращающий наклепанный металл в устойчивое состояние – рекристаллизация. Это полная или частичная замена деформированных зерен данной фазы новыми, более совершенными зернами той же фазы (см. рис. 7). Новые зерна, зарождающиеся при рекристаллизации, отличаются меньшей плотностью дефектов (дислокаций) и растут за счет деформированных зерен. Рекристаллизация – диффузионный процесс, протекающий в течение какого-то времени (чем выше температура, тем быстрей).

Рис. 7. Изменение структуры и свойств деформированного металла

При нагреве

 

Наименьшую температуру, при которой начинается процесс рекристаллизации и происходит разупрочнение, называют температурой рекристаллизации. Между температурой рекристаллизации (Т _р) и температурой плавления (Т _пл) металлов существует простая зависимость, определенная металловедом А.А. Бочваром:

Т _р = a× Т _пл (К).

Ниже приведена температура рекристаллизации металлов и сплавов:

Т _р = (0,1 ¸ 0,2) × Т _пл – для чистых металлов,

Т _р = 0,4 × Т _пл – для технически чистых металлов,

Т _р = (0,5 ¸ 0,6) × Т _пл – для сплавов (твердых растворов).

Температуру начала рекристаллизации определяют металлографическим и рентгеноструктурным методами, а также по изменению свойств. Если Т _р определяют по изменению твердости, то за Т _р принимают температуру, при которой прирост твердости, созданный деформацией, уменьшается вдвое (рис. 8).

Рис. 8. Определение температуры рекристаллизации