Возврат и рекристаллизация деформированных металлов

Под воздействием пластической деформации резко возрастает плотность дефектов структуры (точеных и линейных), кристаллическая решётка металла искажается, возникают внутренние напряжения, зёрна материала вытягиваются в направлении деформации. Материал с такой структурой имеет повышенную свободную энергию и поэтому его состояние оказывается неравновесным. При длительной выдержке, металл стремится к более устойчивому, равновесному состоянию. Этот процесс ускоряется (активизируется) с повышением температуры.

Переход деформированного металла при нагреве в более устойчивое состояние называют возвратом. Температура возврата - T < 0,3Т_{плавления}. Например, для стали она меньше 400⁰С. При возврате уменьшается плотность дефектов за счёт их аннигиляции и уничтожения на стоках. Частично снимаются внутренние напряжения и искажения кристаллической решётки. Материал переходит в более устойчивое, равновесное состояние, хотя видимых изменений в структуре пока не наблюдается, то есть зёрна по-прежнему остаются вытянутыми. Твёрдость и прочность материала при возврате несколько уменьшаются, а пластичность увеличивается. Таким образом, возврат только частично снимает наклёп.

При нагреве деформированного металла до более высоких температур наблюдается процесс рекристаллизации (перекристаллизации). На месте вытянутых зёрен образуются новые, округлые зёрна. Процесс рекристаллизации идёт в два этапа: первичная рекристаллизация и собирательная рекристаллизация. На первом этапе на границах вытянутых зёрен появляются зародыши новых кристаллов, которые растут за счёт поглощения вытянутых зёрен и вырастают округлыми. Собирательная рекристаллизация наблюдается при более высоких температурах. На этом этапе происходит укрупнение новых зёрен путём их объединения. Размер зерна после рекристаллизации зависит от степени деформации металла, температуры его нагрева и других факторов. Чем меньше степень деформации и выше температура нагрева, тем крупнее зёрна и наоборот, чем больше степень деформации и меньше температура, тем мельче зёрна. У материала с мелкозернистой структурой механические свойства лучше.

Температура рекристаллизации связана с температурой плавления материала: T_p = а Т_пл. Для сплавов a находится в пределах от 0,5 до 0,6; для технически чистых металлов - от 0,3 до 0,4. Чем чище металл, тем меньше коэффициент a вплоть до 0,1. У олова и свинца комнатная температура является температурой рекристаллизации.

В процессе рекристаллизации полностью снимаются искажения кристаллической решетки и избыточные внутренние напряжения. Плотность дефектов резко уменьшается и достигает своего исходного значения (до деформации). Микроструктура материала также возвращается к исходному состоянию. Твёрдость и прочность металла уменьшаются, а пластичность увеличивается и достигает своего исходного значения. Таким образом, рекристаллизация полностью снимает наклёп.

В зависимости от температуры, при которой осуществляется деформация материала, различают деформацию холодную и горячую. Холодная деформация осуществляется при температурах ниже температур рекристаллизации. При этом развивается наклёп, и степень деформации оказывается ограниченной. Горячая деформация осуществляется при температурах рекристаллизации. При этом процесс рекристаллизации опережает процесс развития наклепа, и степень деформации металла может быть значительно больше. У некоторых металлов комнатная температура является температурой горячего деформирования.

 

Разрушение материалов

Разрушение это заключительная стадия деформирования материала. Оно представляет собой разделение материала на отдельные составные части. С точки зрения атомной структуры, разрушение выглядит как разрыв межатомных связей. Разрыв может происходить двумя способами: 1) Под воздействием напряжений перпендикулярных плоскости разрыва (разрыв сколом или отрывом). 2) Под воздействием напряжений параллельных плоскости разрыва (то есть разрыв сдвигом или скольжением). В реальных материалах обычно имеют место оба вида разрыва.

Различают разрушение хрупкое и вязкое. При вязком разрушении наблюдается значительная пластическая деформация материала перед разрушением, при этом разрыв межатомных связей происходит преимущественно сдвигом или скольжением. При хрупком разрушении пластическая деформация значительно меньше или совсем отсутствует, а разрыв межатомных связей происходит преимущественно сколом или отрывом. Чисто вязкое разрушение наблюдают у таких материалов как глина, пластилин, а чисто хрупкое - у и т.д. Большинству реальных материалов присущи одновременно оба вида разрушения, а подразделение материалов на хрупкие или вязкие осуществляется по преобладающему механизму разрушения. Так, глина и пластилин являются вязкими материалами, а стекло и алмаз – хрупкими.

Вид разрушения характеризуется величиной работы разрушения, видом трещины и поверхности излома, а также скоростью распространения трещины.

При вязком разрушении работа разрушения значительно больше, чем при хрупком разрушении. Работа разрушения пропорциональна площади под кривой растяжения материала:

 

Хрупкое разрушение наиболее опасно. Обычно оно начинается с некоторого дефекта: царапины на поверхности, выбоины, поры, неметаллических включений, сварного шва, технологических отверстий и изгибов и т.д. Хрупкое разрушение происходит в три стадии:

1) Зарождение микротрещины на дефектах.

2) Подрастание трещины до критического размера.

3) Распространение трещины через весь образец, т.е. возникновение магистральной трещины.

При хрупком разрушении третья стадия происходит самопроизвольно без дополнительного деформирования образца, то есть без дополнительного подвода энергии извне. Трещина растёт за счёт упругой энергии, накопленной на предыдущей стадии деформирования. Скорость распространения такой трещины сравнима со скоростью распространения звука в данном материале.

При вязком разрушении скорость распространения трещины зависит от скорости деформирования материала. При этом требуется подвод энергии извне, т.е. дополнительная деформация.

Хрупкая трещина имеет малый угол раскрытия, т.е. является острой трещиной и, как правило, ветвится. Вязкая трещина имеет большой угол раскрытия, т.е. является тупой трещиной.

 

Поверхность излома при хрупком разрушении оказывается блестящей и под микроскопом обнаруживает платообразную структуру:

 

При вязком разрушении поверхность излома оказывается матовой и под микроскопом обнаруживает волокнистую структуру:

У многих вязких металлов при понижении температуры наблюдается смена преобладающего механизма разрушения. Свойство материалов разрушатся хрупко при низких температурах называют хладноломкостью.

В заключение необходимо отметить, что стадия разрушения материала, с момента появления первых повреждений, может составлять до 90% долговечности конструкции.