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.

Дата добавления: 2014-01-11