Возврат и рекристаллизация. Горячая деформация

При холодной деформации металла образуется текстура и происходит его упрочнение, в результате чего металл находится в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. Наклёпанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшей энергией. Восстановительные процессы (или разупрочнение) сводятся в основном к снятию искажений и остаточных напряжений в кри­сталлитах. Так как эти процессы при комнатной температуре для большинства металлов протекают медленно и совершаются путем перемещений атомов, решающее влияние; на эти про­цессы оказывает температура.

У большинства металлов и сплавов при комнатной темпе­ратуре подвижность атомов недостаточна, чтобы обеспечить удовлетворительное развитие процессов разупрочнения. Чтобы наклепанный металл после холодной обработки давлением перешел в более равновесное состояние, его нагревают до определенной температуры.

В зависимости от температуры в деформированном металле протекают различные процессы разупрочнения: возврат и рекристаллизация. При температурах ниже 0,20 Т_пл (где Т_пл— абсолютная температура плавления металла, К) при пластиче­ской деформации протекают преимущественно процессы упроч­нения, а при температурах (0,20...0,30) Т_пл одновременно протекают как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы.

Сущность процесса возврата или отдыха состоит в том, что при деформировании металла, нагретого до температур (0,20... 0,30) Т_пл, повышается кинетическая энергия атомов и амплитуда их тепловых колебаний увеличивается настолько, что облегчает возвращение атомов в положения равновесия, отвечающие ми­нимуму потенциальной энергии, происходит уменьшение точеч­ных дефектов (вакансий) и перегруппировка дислокации (полигонизаиия). Возникающие при пластическом деформировании искажения кристаллической решетки и упругие деформации зе­рен в значительной степени снимаются, что обеспечивает неко­торое снижение остаточных напряжений и частичное восстанов­ление механических и физико-химических свойств металла. В результате протекания возврата твердость и прочность не­сколько снижаются, а пластичность возрастает, хотя исходных значений они не достигают. Частичное устранение искажений кристаллической решетки при возврате не оказывает влияния на микроструктуру металла. Возврат не препятствует образова­нию текстуры при деформации.

Возврат может происходить не только при деформировании нагретого металла, но и при нагреве металла до определенной температуры после холодной деформации. В этом случае он также частично снимает искажения кристаллической решетки, обеспечивая некоторое снижение остаточных, напряжений, уменьшение прочности, увеличение пластичности (рис. 6.3), но не оказывает влияния на размеры и форму зерен.

При нагреве деформированного металла (рис. 6.4, а) выше: температуры возврата наступает процесс рекристаллизации.

Рис. 6.4. Схема изменения микроструктуры деформированного металла при рекристал­лизации: а— деформированный металл; б—г—начало, промежуточная стадия и конец рекри­сталлизации.

Сущность процесса рекристаллизации состоит в том, что при температурах выше 0,3Тпл энергетический потенциал атомов и их подвижность возрастают настолько, что они могут пере­группировываться и интенсивно, обмениваться местами. Отдельные неискажённые в процессе деформации ячейки кристалли­ческой решетки становятся зародышами новых зерен. К ним пристраиваются отдельные атомы или группы атомов смежных деформированных зерен, у которых решетка искажена и атомы находятся в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. В результате из зародышей начинают расти новые более или менее равновесные зерна (рис. 6.4, б, в). Новые зерна постепенно увеличиваются в размерах и с течением времени полностью поглощают деформированные зерна (рис. 6.4, г).

σ_в, δ

Рис. 6.3. Влияние температуры нагрева на механические свойства деформированного металла:

I—возврат; II — рекристаллизация; III—собирательная рекристаллизация; t_н.р—тем­пература начала рекристаллизации; t_п — температура перегрева

Рентгеновский анализ показывает, что новые зерна отлича­ются от старых не только формой, но и более совершенным внутренним строением без существенного искажения кристаллической решетки. Образование и рост новых зерен в процессе деформации, с менее искаженной решеткой за счет деформиро­ванных зерен называют рекристаллизацией обработки. Этот процесс заканчивается тогда, когда исчезают все деформирован­ные зерна.

Процесс рекристаллизации является диффузионным процес­сом; он протекает во времени с некоторой скоростью, величина которой зависит от температуры, степени деформации и скоро­сти нагрева. Чем выше температура, степень деформации и ско­рость нагрева металла, тем выше скорость рекристаллизации.

Температура начала рекристаллизации зависит от степени деформации и других факторов. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации уменьшается, стремясь к определенному пределу. Наиболее низкую темпера­туру (нижний предел) начала рекристаллизации называют тем­пературным порогом рекристаллизации.

Для металлов сравнительно чистых (примерно 99,99%) температуру начала рекри­сталлизации t_р по А. А. Бочвару определяют по формуле

t_{p =} m (t_пл + 273) - 273, °С,

где t_p и t_пл —температура соответственно рекристаллизации и плавления, °С; т— коэффициент пропорциональности.

При расчете температуры рекристаллизации технически чи­стых металлов (Fе, W, А1, Zn и др.) в формуле для расчета t_р принимают коэффициент пропорциональности m==0,4; для ти­тана 0,37; для меди 0,35 и т. д. Для сплавов твердых растворов этот коэффициент равен 0,5...0,6.

Деформирование нагретого металла выше температуры (0,7...0,8)t_пл, т. е. выше температуры рекристаллизации, пред­ставляет собою горячую деформацию. Она сопровождается од­новременным протеканием процессов упрочнения и разупроч­нения.

Конечный результат этих процессов зависит от соотношения скоростей горячей деформации и рекристаллизации. Если ско­рость рекристаллизации больше или равна скорости горячей деформации, то упрочнение металла при деформировании пол­ностью снимается. Если скорость горячей деформации больше скорости рекристаллизации, то разупрочнение полностью не осу­ществляется, и металл получает некоторое упрочнение.

а

Рис. 6.5. Объемная диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали (а) и наличие второго максимума на кривой рекристаллизации (б)

Величина зерен металла, при деформировании которого про­текает рекристаллизация, зависит от степени, температуры и скорости деформации. Связь между размером (средним значе­нием площади поперечного сечения f) зерен после деформирования, температурой и степенью деформации обычно представляют объемными диаграммами рекристаллизации (рис. 6.5., а).

Из приведенной диаграммы следует, что с увеличением тем­пературы величина зерен растет. Зависимость величины зерен от степени деформации имеет сложный характер. Для низкоуглеродистой стали при степени деформации до 8...10 % и тем­пературе обработки до 900 °С величина зерен не увеличивается; пластическая деформация происходит за счет внутризёренных перемещений без разрушения межкристаллитной пленки. При достижении степени деформации 8...10% пластическая дефор­мация происходит также и за счет межзеренных перемещений, благодаря чему пленка, обволакивающая зерна, разрушается, и они имеют возможность соприкасаться друг с другом. Это об­легчает объединение нескольких деформируемых зерен в одно зерно. В результате происходит скачкообразное увеличение размеров рекристаллизованных зерен. Такая рекристаллизация называется первичной рекристаллизацией или рекристаллиза­цией обработки.

Степень деформации, при которой происходит скачкообраз­ный рост рекристаллизованных зерен, называют критической степенью деформации. Для различных металлов и сплавов кри­тическая степень деформации различна, но обычно не превы­шает 15 %.

Рекристаллизация происходит также при нагреве холодно-деформированного металла до температуры, превышающей температуру начала рекристаллизации; этот процесс обычно называют рекристаллизационным отжигом, или отжигом; его применяют для снятия упрочнения, полученного при холодной деформации. Зависимость величины зерен от предшествовав­шей степени деформации и температуры нагрева аналогична рассмотренной выше. В этом случае величина зерен зависит также от времени выдержки при температуре нагрева. При длительной выдержке протекает процесс собирательной рекри­сталлизации.

При весьма высоких степенях холодной деформации (94... 96%) наблюдается появление второго максимума на кривых рекристаллизации (рис. 5.6,6). При этом протекает процесс собирательной рекристаллизации. При указанных степенях де­формации появляется совершенная текстура одинаково ориен­тированных кристаллов, что облегчает при высокотемператур­ном отжиге их слияние друг с другом и образование весьма крупных зерен. Если какие-то из новых зерен, полученных в ре­зультате собирательной рекристаллизации, имеют предпочти­тельные условия для роста, то эту стадию рекристаллизации называют вторичной. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, приводящая к разнозернистости структуры, способствует снижению механических свойств металла.

На рис. 6.3 показано, что при возврате механические свойства металла изменяются незначительно, а при рекристаллизации—значительно (вследствие замены старых деформирован­ных зерен новыми равноосными зернами с неискаженной ре­шеткой). Выбирая температуру нагрева холоднодеформированного металла, можно получить требуемые значения σ_в и δ. От­жиг при высоких температурах, достигающих температуры пере­грева tп, или длительная выдержка при высокой температуре отжига, сопровождающаяся протеканием процесса собиратель­ной рекристаллизации, дает крупнозернистую структуру, кото­рая обусловливает уменьшение пластичности и прочности ме­талла (см. рис. 6.3) и является нежелательной.

Дата добавления: 2014-01-06