Природа изменения свойств металла при

Изменения структуры и свойств металлов при пластической деформации. Рекристаллизация

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Различают упругую деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, и пласти­ческую, которая остается после окончания действия приложен­ных сил.

При пластическом деформировании меняется не только внешняя форма металлического тела, но и его структура, а это влечет за собой изменение механических свойств. Под действием внешних усилий первоначально округлые зерна вытягиваются в направле­нии пластического течения и при больших степенях деформации могут принять форму волокон

Рис. 14.1. Структура металла до деформации (а) и после (б)

Происходят изменения и во внутреннем строении каждого зер­на, которое представляет собой совокупность огромного числа элементарных кристаллических ячеек и содержит дефекты кристал­лического строения в виде вакансий, инородных атомов и дисло­кации. Наибольшее влияние на изменения в структуре и свойствах металлов оказывают дислокации. Пластическая деформация осущест­вляется путем скольжения одних атомных плоскостей относительно других, для чего затрачивается энергия внешних сил. Если в плоскости скольжения имеются дислокации, то затраты энергии на деформирование снижаются в десятки раз, т.к. благодаря им перескок огромного числа атомов, находящихся в плоскости скольжения, из своих узлов в соседние совершается не одновре­менно, а последовательно (эффект домино). Пластическое течение в этом случае осуществляется легко, пластичность металла высо­кая. В процессе деформирования происходит размножение дислока­ции за счет работы источников Франка-Рида, вследствие чего по­вышается их плотность ρ — суммарная длина дислокации в единице объема (см/см 3 ). Если в отожженном металле плотность дислокации составляет ρ≈10 6 – 10 8 см -2 , то в холоднодеформированном при больших степенях деформаций она может дости­гать значения ρ= 10 12 см -2 . При такой плотности дислокациямстановится тесно, они блокируют друг друга и их подвижность многократно снижается. По этой причине снижается пластичность металла и растет его прочность (рис. 14. 2).

Рис. 14.2. Влияние пластической деформации на механические свойства сплава АМг5 (при t=20 в С)

Это явление получило название наклеп. При наклепе металл поглощает часть (10-15%) энергии, затраченной на деформирование, становится энергетически более напряженным. Этим объясняется изменение его физических и химических свойств: понижение коррозионной стойкости, повышение электросопротив­ления.

Наклепанный металл термодинамически неустойчив, стремит­ся возвратиться в первоначальное, равновесное состояние, вос­становить свою структуру и свойства. При низких температурах (не более 0,1 Тпл) этот процесс затруднен и наклепанное состо­яние может сохраняться довольно долго.

При нагреве пластически деформированного металла сообща­емая ему тепловая энергия повышает амплитуду колебаний ато­мов, вследствие чего повышается их диффузионная подвижность. При невысоком нагреве (0, 2 — 0,3 Тпл) за счет активизации процессов самодиффузии происходит перераспределение точечных и линейных дефектов в каждом зерне. Часть из них перемещается на границы зерна, часть аннигилирует, а часть перестраивается, образуя дислокационные стенки, т. е. границы субзерен. Уменьшение общей плотности дефектов строения, снижение внутренних напряжений сопровождается незначительным (на 10 — 15% от наклепанного) снижением прочностных свойств при одновременном повышении пластичности. Заметных изменений микроструктуры при таком нагреве не происходит (рис. 14. 3).

При более высоком нагреве (0,3 — 0,4 Тпл) поисходит рез­кое изменение микроструктуры и механических свойств. На базе вытянутых в направлении деформирования зерен (волокон) зарож­даются и вырастают новые равноосные зерна с меньшим количест­вом дефектов. Это явление носит название рекристаллизации. Размер рекристаллизованных зерен значительно зависит от степени предшествующей пластической деформации. Как видно на рис. 14.4, он может оказаться больше или меньше первоначального. Объясняется это явление тем, что при малых (5 — 15%) деформациях возникает мало зародышей рекристал­лизации и зерна вырастают очень крупными. Такую степень дефор­мации называют критической (ε_кр). При дальнейшем увеличении степени деформации размер рекристаллизованных зерен умень­шается. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Мелкозернистый металл обладает повышенной прочностью и вязкостью (стойкостью к удару). Если степень деформации очень мала (меньше ε_кр), малы искажения решетки, исходные границы между зернами не разрушены и рекристаллизации не проис­ходит.

Во время рекристаллизации происходит снижение плотности дислокации до первоначального (10 6 — 11 8 см -2 ) уровня и высвобо­ждается накопленная в процессе холодной пластической деформа­ции энергия. Наклеп практически полностью снимается, и пластич­ность металла восстанавливается (рис. 13.3). Наименьшую темпе­ратуру начала рекристаллизации называют температур­ным порогом рекристаллизации. Для технически чистых металлов она составляет около 0, 4 Тпл, для очень чистых метал­лов до 0,1 — 0, 2 Тпл, а для сплавов возрастает до 0, 5 — 0, 6 Тпл. Чтобы обеспечить полноту снятия наклепа и высокую скорость процесса рекристаллизации, деформированный металл нагревают на 150 — 200 градусов выше порога рекристаллизации.

Если пластическую деформацию проводить выше порога рек­ристаллизации, то процессы наклепа и рекристаллизация будут протекать одновременно, в результате чего в деформированном металле остаточного наклепа может не быть. Такую деформацию называют горячей.

Рис. 14.3. Схема изменения свойств и структуры наклепанного металла при нагреве:

I — возврат; П — первичная рекристаллизация;

Ш — собирательная рекристаллизация; IV — вторичная рекристаллизация;

а — наклепанный металл; б — начало первичной рекристаллизации; в — завершение первичной рекристаллизации; г — собирательн ая рекристаллизация; д — вторичная рекристаллизация д — вторичная рекристаллизация

Рис. 14. 4. Влияние степени холодной деформаций на вели­чину зерна при рекристаллизации:

α₀ — размер исходного зерна

Во время длительной выдержки при температуре выше порога рекристаллизации будет происходить рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Это явление носит название со­бирательной рекристаллизации (рис. 13. 3, г), а его движущей силой является стремление металла как термодинамиче­ской системы, к снижению уровня зернограничной энергии. Круп­нозернистый металл имеет меньшую суммарную поверхность границ, чем мелкозернистый, поэтому и уровень свободной энергии у него меньше.

Источник

Изменение свойств металла при пластической деформации

При пластической деформации металла (поликристалла) пластические и прочностные свойства металла претерпевают изменение. Внутри кристаллита дислокации, перемещаясь, встречают на своем пути другие дислокации. При их взаимодействии образуются неподвижные участки, которые для перемещения требуют большего усилия. Кроме того, на их пути возрастает количество других препятствий в виде субмикроскопических выделений частиц на плоскостях скольжения, наличия других фаз, легирующих добавок и пр. При деформации дробятся и разрушаются сами зерна, а также мостики межзеренного вещества, образовавшиеся обломки затрудняют пластическую деформацию, блокируют движение дислокаций. В результате всех этих процессов при пластической деформации происходит упрочнение металла, повышаются предел текучести, появляется наклеп. Важно подчеркнуть, что наклеп зависит от степени деформации и происходит одновременно с деформацией. Между актом деформации и появлением наклепа в металле никакого промежутка времени нет.

Процессы, происходящие в металле при деформации, легче всего наблюдать при растяжении образца на разрывной машине. ГОСТом закреплены форма и размеры стандартных образцов, подвергаемых растяжению. Полученные на них значения прочностных и пластических характеристик в совокупности образуют механические свойства данного металла. Практически для всех металлических материалов механические свойства являются обязательными эксплуатационными характеристиками. Уровень требований к механическим свойствам металлов и сплавов закрепляются ГОСТом или ТУ на поставку готовой продукции.

На рис. 8а приведена типовая кривая растяжения образца из малоуглеродистой стали, полученная на растяжной машине, на которой в процессе деформации записываются удлинение образца Dl = l₀ – l и усилие пресса Р.

В координатах «напряжение s = Р/F — относительное удлинение e» диаграмма растяжения имеет вид, показанный на рис. 8б. Первый ее участок характеризует упругую

Р х В s_в х В s_в В

Рис. 8. Кривые растяжения образца: а) полученная на растяжной машине,

б) перестроенная в координатах s — e, в) в координатах «напряжения –

деформацию. Если образец разгрузить на этом участке, то он полностью возвратит свои первоначальные размеры. Напряжение s_s, при котором начинается пластическая деформация, называется пределом текучести. За пределом текучести на участке II наряду с упругой существует пластическая деформация. Если образец в точке А разгрузить, то образец укоротится на величину упругой деформации. Пластическая же составляющая деформации останется, поэтому ее называют также остаточной. Таким образом, общая деформация складывается из упругой и пластической составляющих:

Для большинства металлов и сплавов трудно выделить точку, в которой начинается пластическая деформация, поэтому предел текучести s_s трудно определить однозначно. Для определенности за предел текучести принимают точку, соответствующую 0,2 % остаточной деформации. Для обработки давлением, как правило, упругая составляющая не интересна, поэтому кривую растяжения образца еще раз перестраивают, откладывая по оси ординат только остаточную, то есть только пластическую деформацию e_пл (рис 8в). В дальнейшем индекс пл будем опускать, подразумевая, что мы всегда имеем дело только с пластической составляющей деформации.

Имея такую диаграмму растяжения, можно определить прочностные и пластические характеристики металла.

Показателями прочности являются предел текучести s_s и временное сопротивление s_в (напряжение, соответствующее началу разрушения образца).

Показателями формоизменения служат:

— степень деформации или относительное удлинение образца e = Dl / l и

— уменьшение площади поперечного сечения (относительное сужение) y = (F₀ –F)/F, где l₀ и F₀ – начальные, а l и F – текущие значения длины и площади поперечного сечения образца.

. Всю кривую от s_s до s_в можно трактовать как изменение предела текучести s_s металла в зависимости от степени пластической деформации e. В справочниках (например, [4]) можно найти такие кривые для многих конструкционных металлических материалов. На рис 9 приведены кривые упрочнения для некоторых материалов.

Значение пластической деформации, равное расстоянию от точки начала деформации по горизонтальной оси до разрыва образца, называется запасом пластичности металла. По мере пластической деформации запас пластичности постепенно расходуется, наклеп металла сопровождается снижением запаса пластичности. К примеру, в точке А часть запаса пластичности e₁ израсходована, и запас пластичности составляет e₂. Чтобы возвратить металлу первоначальные механические свойства, его необходимо отжечь, то есть нагреть до температуры выше А_С3 (в область аустенита) и медленно охладить.

Источник