Структура и свойства металлов при нагреве после пластической деформации

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию. Обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии.

Возвратом называют перестройку тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не меняются.

Рекристаллизацией называют процесс образования и роста новых зерен с более совершенной структурой, за счет исходных деформированных зерен той же фазы.

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, в основном вакансий; в ряде металлов, таких как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности.

Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокации; в результате кристалл разделяется на субзерна – микрообъемы, свободные от дислокации (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Схема полигонизации наклепанного металла: а – до полигонизации; б – после полигониэации.

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах – твердых растворах – наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к незначительному уменьшению твердости и характеристик прочности.

Субзеренная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами.

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2–8 %); для алюминия она близка к 2 % , для железа и меди – к 5 %. На рис. 2.23 показано влияние степени деформации ε на размер зерна d, полученного при последующем отжиге. Максимальный размер зерна наблюдался при критической степени деформации, равной 1,8 %.

Рис. 2.23. Влияние степени деформации ε на размер зерна d, полученного при отжиге.

Нагрев деформированных металлов и сплавов выше определенной температуры, называемой температурным порогом рекристаллизации, приводит к изменению структурного состояния, при котором происходит образование и рост новых зерен. Изменение структуры развиваются в следующей последовательности: первичная, собирательная и вторичная рекристаллизация. Температура рекристаллизации по правилу Бочвара составляет некоторую долю от температуры плавления металла:

Значение коэффициента α зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов химически чистых металлов α = 0,25–0,3; для сплавов α = 0,5–0,6.

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокации, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации. Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строения. Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничтожения дислокации; при этом между центром рекристаллизации и деформированной основой появляется высокоугловая граница.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке; при этом высокоугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.

Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией, или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Схема изменения микроструктуры холоднодеформированного металла при нагреве: а – после деформации; б – начало первичной рекристаллизации; в – завершение первичной рекристаллизации; г, д – стадии собирательной рекристаллизации.

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная поверхность границ).

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем исчезают, а другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется.

Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

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.

Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее в зависимости от температуры. Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование проводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией.

Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость улучшается. Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации и от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Рис. 2.25 иллюстрирует зависимость размера рекристаллизованного зерна алюминия А7 от температуры отжига в течение 1 ч.

Рис. 2.25. Зависимость размера рекристаллизованного зерна d алюминия А7 от температуры отжига Т_отж в течение 1 ч.

Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева. Зависимость размера зерен от степени деформации и температуры обычно демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации (рис. 2.26).

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают. Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется предпочтительная ориентация зерен, которую называют текстурой рекристаллизации. Ее вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и количества примесей, технологических факторов. Образование текстуры рекристаллизации имеет практическое значение для сплавов с особыми физическими свойствами, когда требуется улучшить то или иное свойство в определенном направлении изделия. Например, в листах трансформаторной стали образование текстуры дает возможность уменьшить потери на перемагничивание по определенным направлениям листа.

Рис. 2.26. Диаграммы рекристаллизации: а – зависимость размера зерна D рекристаллизованного металла от деформации (Dо – размер исходного зерна); б – диаграмма рекристаллизации технически чистого железа.

Рекристаллизация многофазных сплавов представляет собой более сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых рекристаллизованных зерен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры и объемные соотношения между фазами, а также состав сплава. Особое значение имеют размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами. Чем ближе друг к другу расположены частицы второй фазы, тем труднее перемещаться границе нового зерна и тем сильнее тормозится рекристаллизация. Это проявляется в повышении температуры рекристаллизации и увеличении времени для завершения первичной рекристаллизации многофазного сплава по сравнению с однофазным сплавом – твердым раствором аналогичного химического состава. Близость частиц второй фазы обеспечивается при достаточно высоком их содержании в сплаве. Когда частиц мало и они далеко друг от друга, их роль в рекристаллизации незначительна. Мелкие частицы размерами приблизительно 0,1 мкм и меньше тормозят рекристаллизацию. Более крупные частицы размерами свыше 0,1–0,5 мкм тормозят рекристаллизацию, когда располагаются близко друг к другу, и ускоряют ее, когда расстояние между ними увеличено. В последнем случае сказывается влияние межфазной границы, на которой преимущественно зарождаются новые зерна.

Тормозящее влияние дисперсных частиц второй фазы на рекристаллизацию успешно используется в промышленных сплавах для увеличения предельных рабочих температур. Присутствие в сплавах элементов антирекристаллизаторов повышают температуру рекристаллизации и способствуют формированию нерекристаллизованной структуры изделий и полуфабрикатов.

Сверхпластичное состояние металла проявляется при горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5–10 мкм). При низких скоростях деформирования металл течет равномерно, не упрочняясь, относительные удлинения достигают 10–15 %.

Огромные деформации в сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен. Для того чтобы реализовать сверхпластичное состояние, требуется не только получить ультрамелкие зерна, но и сохранить эту структуру в течение всего периода деформирования при температуре выше 0,5Тпл (порядка нескольких десятков минут). В однофазных сплавах зерна твердого раствора успевают вырасти за это время так, что сверхпластичность теряется.

Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов обеих фаз 1:1; при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелкозернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу таких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные смеси и т.п.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность самого процесса формования и сравнительно высокие рабочие температуры, процесс выгоден, а в ряде случаев является единственным способом получения изделий, когда металл нужно без разрушения деформировать на 200–300 % и выше.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие существуют отличия в строении жидкого и твердого металла?

2. Как изменяется объем при плавлении различных металлов?

3. Что означают понятия ближний и дальний порядок в расположении атомов? Каким фазовым состояниям присущ ближний и дальний порядок?

4. Из каких стадий состоит процесс кристаллизации?

5. Что является термодинамическим стимулом кристаллизации металлов?

6. Почему кристаллизация чистых металлов происходит в изотермических условиях?

7. Почему для начала процесса кристаллизации металлов необходимо переохлаждение?

8. Охарактеризуйте общее изменение свободной энергии системы при кристаллизации металлов. Из чего складывается объемная и поверхностная межфазная энергия?

9. Где образуются зародыши твердой фазы при гомогенной и гетерогенной кристаллизации металла?

10. Как изменяется суммарная свободная энергия системы в зависимости от размера кристалла при разных степенях переохлаждения при кристаллизации?

11. Какой размер зародыша кристалла называется критическим?

12. Почему с увеличением степени переохлаждения при кристаллизации размер критического зародыша уменьшается?

13. Почему зародыши кристалла размером меньше критического растворяются в жидкости?

14. Изобразите кривые охлаждения металла при разных степенях охлаждения.

15. Как зависят скорость образования центров кристаллизации n, и линейная скорость роста кристаллов с от ΔТ при затвердевании металлов?

16. Какие механизмы роста кристаллов возможны при затвердевании металлов?

17. Каково строение межфазной границы раздела жидкость–кристалл у меди и висмута?

18. Что способствует ускорению роста кристаллов при атомно-гладкой и межфазной поверхности жидкость–кристалл?

19. Опишите механизм роста кристаллов при гладкой и атомно-шероховатой межфазной поверхности жидкость–кристалл.

20. Какие формы роста при затвердевании принимают кристаллы чистых металлов?

21. Изобразите структуру сплава системы Cu–Ni после равновесной кристаллизации.

22. Какие превращения относятся к полиморфным превращениям?

23. Какие изменения в кристаллическом строении происходят при полиморфных превращениях железа?

24. Охарактеризуйте изменение свободной энергии системы при полиморфном превращении. Почему для начала процесса необходимо большее переохлаждение, чем при кристаллизации металлов?

25. В чем заключается принцип размерного и структурного соответствия при превращениях в твердом состоянии? Как он реализуется при полиморфном превращении железа и его сплавов?

26. Изобразите структуру металла после холодной деформации. Чем отличается текстура деформации от волокнистой структуры металлов и сплавов?

27. Как изменяется структура деформированных металлов при нагревах после деформации?

28. Изобразите структуру металла после холодной деформации и рекристаллизационного отжига.

29. Как изменяются свойства холоднодеформированного металла после нагрева?