Отжиг для уменьшения напряжений

Основными параметрами отжига первого рода являются температура нагрева и время выдержки, а скорость нагрева и охлаждения имеют подчиненное значение. Это связано с тем, что диффузионные процессы, устраняющие отклонение от равновесного состояния в металлах идут самопроизвольно (даже при комнатной температуре), поэтому нагрев при отжиге 1-го рода проводится только для ускорения этих процессов.

Гомогенизационный отжиг - отжиг с длительной выдержкой при высоких гомологических температурах (выше 0,7 Тпл) с целью обеспечения интенсивного развития диффузионных процессов, способствующих устранению химической (концентрационной) и структурной неоднородностей. Обычно гомогенизационный отжиг проводится с целью устранения последствий дендритной ликвации (в слитках, отливках, сварных соединениях и т.д.). Гомогенизирующий отжиг стали проводят при температурах, существенно превышающих верхнюю критическую температуру А_С3 или Асm (температура отжига обычно при 1100-1250⁰С) и достаточно длительных выдержках (³6 часов) при этих температурах с последующим медленным охлаждением (чаще всего с печью). При медленном охлаждении аустенита с температуры отжига его распад происходит по диффузионному механизму при незначительном переохлаждении ниже критических точек, что определяет особенности структуры обрабатываемых сталей. Химический состав стали или сплава (точнее температура диссоциации частиц вторичной фазы – карбидов, нитридов, карбонитридов, интерметаллидов) определяет температуру аустенитизации и время выдержки при отжиге.

Известно, что температура плавления (диссоциации) частиц вторичной фазы, находящихся в стали, может находится даже при температурах выше линии ликвидуса - АВС диаграммы Fe-C, например:

TaC =3880⁰C; ZrС ~3530⁰С; NbC =3480⁰С; Ta₂C =3400⁰C; TiC ==3150⁰С; VC =2810⁰С; WC =2720⁰C; AlN ~2400⁰С, Al₂O₃ ~2093⁰С; Cr₃C₂ =1895⁰С; Cr₇C₃ =1665⁰С; Cr₂N ~1650⁰С; Fe₃C =1650⁰С; Cr₂₃C₆ =1550⁰С; Mn₃C =1520⁰С;

При гомогенизационном отжиге протекают два основных процесса: выравнивание химического состава в объеме зерен и растворение неравновесных избыточных фаз (карбидов, нитридов, карбонитридов и др.). В основе этих процессов лежит диффузия в твердом растворе и поэтому часто такой отжиг называют еще диффузионным. Диффузия - процесс перемещения атомов, в результате которого устанавливается равновесная концентрация внутри фаз. В процессе такого перемещения каждый диффундирующий атом совершает ряд скачков между различными равновесными положениями в кристаллической решетке. Эти скачки и обуславливают миграцию атомов через кристалл. В зависимости от типа элементарного скачка различают более 10 механизмов диффузии. Процесс диффузии, в котором участвуют атомы только одного сорта называется самодиффузией, а если присутствуют атомы разных сортов - гетеродиффузией (просто диффузией).

Время полной гомогенизации зависит от следующих факторов:

-температуры отжига и времени изотермической выдержки при ней;

-химического состава металла;

-от микроструктуры литого сплава (размера дендритной ячейки, толщины, количества и формы частиц избыточной фазы);

-от габаритов садки или изделия.

Гомогенизационный отжиг является весьма энергоемкой операцией из-за высокой температуры его проведения и длительных выдержек, а также учитывая еще большие потери металла в окалину и обезуглероживание поверхностных слоев металла, следует правильно оценивать целесообразность его назначения. Обычно такой вид обработки используют для легированных сталей и цветных сплавов. Углеродистые стали обычно не подвергают гомогенизирующему отжигу, считая, что при нагреве и выдержке металла слитков под обработку давлением в нем успевают пройти в достаточной степени процессы гомогенизации. Следует понимать, что в высоколегированных углеродистых сталях в процессе первичной кристаллизации создается из частиц вторичной фазы как бы скелет (прочное, но хрупкое пространственное построение), который весьма трудно разрушается (а порой почти не разрушается) под действием термической обработки и горячей пластической деформации. По классификации Гинцбурга Я.С. и Андрацкого К.К. большинство легированных сталей по сопротивлению раздроблению первичной кристаллизации принадлежат к группе сталей с устойчивыми против разрушения карбидными и ледебуритными оболочками зерен [Гинцбург Я.С. и Андрацкий К.К. Прокатка качественной стали. М.; Металлургиздат. 1953].

хххххххххххххххххххххххххххххххххххххххх

В промышленности часто различные виды металлоизделий (прокат) подвергают холодной деформации (например, производство автолиста, электротехнических сталей и т.д.), которая на определенной стадии приводит к существенному изменению структуры (и субструктуры), комплекса механических свойств (повышаются твердость, прочность, резко снижаются пластичность и вязкость) и повышению уровня свободной энергии. В литературе такое состояние характеризуется понятием наклепа металла (рис.71). Такое состояние металла определяет повышенную плотность свободной энергии в деформированном металле и его метастабильное структурное состояние.

Рис.71 -График зависимости прочности (sВ), твердости по Бринелю (НВ) и пластичности (d) в зависимости от степени холодной пластической деформации малоуглеродистой стали

Наклепанное состояние металла затрудняет или делает невозможным проведение дальнейшей холодной его деформации (для достижения требуемых геометрических параметров, например, толщины листа или придания формы готового изделия из этого листа, например, холодной штамповкой). Это объясняется тем, что в результате холодной деформации металлы приобретают высокую плотность дефектов кристаллической решетки (например, плотность дислокаций может повышаться до 10¹¹-10¹²см^-2), которые распределены неравномерно в пределах зерен, часто в виде скоплений. Большая часть дислокаций сосредоточена на границах зерен, в то время как в объеме зерен их плотность существенно ниже. На образование такого структурного и субструктурного состояния при деформации тратится до 15% от полной энергии, затрачиваемой на деформацию, основная часть которой выделяется в виде тепла. Дальнейшее использование такого наклепанного металла в технологической цепочке часто становится невозможным по ряду причин (высокая твердость и хрупкость, низкая пластичность и т.д.). Поэтому для придания холоднодеформированному металлу требуемых уровней пластичности, вязкости, твердости, прочности его подвергают в зависимости от назначения металла разупрочняющим обработкам (дорекристаллизационному либо рекристаллизационному отжигам).

Для понимания сути процессов, происходящих в металле при отжигах, следует знать структуру и свойства металла перед термической обработкой для правильного выбора режима отжига и получения требуемого структурного состояния в металле изделия после его осуществления. Метастабильность структурного состояния таких деформированных металлов приводит к прохождению процессов, ведущих к уменьшению свободной энергии системы даже при комнатной температуре. При уменьшении уровня свободной энергии в деформированном металле до образования субструктурных построений происходит изменение уровня механических и физических свойств (рис.72).

Рис.72 - Выделение запасенной энергии (∆Р), изменение плотности (∆D\D), твердости (HV), электросопротивления (∆R\R) в холоднодеформированной (при 20^0С) растяжением (на 33%) меди в зависимости от температуры последующего отжига (Б.Н. Арзамасов и др.)

Эта стадия процесса изменения уровня свободной энергии, физико-механических свойств деформированного металла в литературе называют возвратом, точнее его начальной стадией отдыхом. На этой стадии происходит существенное снижение уровня теплоемкости, электросопротивления, твердости и др. свойств деформированного металла. При повышении температуры нагрева деформированного металла выше интервала, характерного для отдыха, происходит процесс перераспределения дислокаций по механизму поперечного скольжения и переползания, что приводит к образованию субструктурных построений в виде субзерен или полигонов. Эта стадия возврата называется полигонизацией, а субструктура полигонизованной. В работах С.С. Горелика процесс полигонизации разделяется на стадии: собственно полигонизация, предрекристаллизационная и собирательная полигонизация. При полигонизации происходит стабилизация субструктурного состояния металла из-за аннигиляции и перераспределения дислокаций и образования из них более устойчивых построений. Предрекристаллизационная полигонизация ведет к образованию и росту субзерен в деформированном металле с ячеистой исходной структурой.

Движущей силой процессов полигонизации являются уменьшение плотности дислокаций, упорядоченное расположение их по границам субзерен (полигонов), а также уменьшение концентрации вакансий.

Для приведения сплава в равновесное состояние (устранения наклепа), характеризующееся высокой пластичностью, низкой твердостью и прочностью, его подвергают дорекристаллизационному либо рекристаллизационному отжигу.

Дорекристаллизационный отжиг - это термическая обработка сталей и сплавов, заключающаяся в нагреве и выдержке металла ниже температур рекристаллизации. Применяется для холоднодеформированных черных и цветных металлов и предусматривает нагрев до температур, при которых происходят процессы перестройки только тонкой структуры (уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, но без изменения положения структурных элементов с большеугловыми границами, т.е. границ зерен). Для стальных металлоизделий наиболее вероятный верхний температурный интервал»500⁰С

Рис.73 - Влияние температуры и времени выдержки при дорекристаллизационном отжиге на уровень прочностных характеристик холоднодеформированных сплавов (пунктирная кривая - упрочняющая стадия отжига, кривые 2, 3- умягчающий отжиг) [ Новиков И.И.]

Дорекристаллизационный отжиг, в зависимости от температуры и времени выдержки при ней, может быть упрочняющим (пунктирная кривая на рис.73) и умягчающим (кривые 2,3 на рис.73).

Умягчающий отжиг используют в качестве как окончательной, так и промежуточной операции. Особенно часто такой вид термообработки используется для цветных сплавов, например алюминиевых, для которых отжиг производят при температурах 150-300 ⁰С (в зависимости от хим.состава сплава). При производстве различных изделий из сплавов алюминия и магния используется дорекристаллизационный отжиг с целью повышения пластичности деформируемого металла. А для тугоплавких металлов, таких как молибден и вольфрам, это единственный способ умягчения металла после обработки давлением, в результате которой они сильно охрупчиваются.

Для выбора температуры такого отжига надо знать температуру начала рекристаллизации для данной степени деформации конкретного металла. Дорекристаллизационному отжигу подвергаются деформированные металлы и сплавы, в которых при температурах отжига происходит изменение плотности дефектов кристаллического строения зерен без изменения их формы, т.е. главным процессом при таком виде термообработки является возврат.

Упрочняющий дорекристаллизационный отжиг. Исследования показывают, что у некоторых металлов и сплавов при проведении такого вида обработки происходит повышение прочностных свойств, особенно заметно это на таких характеристиках как пределы упругости, пропорциональности и текучести. При этом увеличение значений этих характеристик проходит через максимум (рис.73). Наиболее часто это происходит при больших степенях предварительной холодной деформации. При этом для такого процесса характерна обратимость - т.е. если металл, подвергнутый отжигу на максимальные прочностные характеристика еще раз деформировать (холодная деформация), то он разупрочняется, а если вновь подвергнуть отжигу, то опять упрочняется. Природа упрочнения при таких процессах может быть различна, в зависимости от многих факторов. Наиболее общим положением, объясняющим такое поведение металлов, является наличие в холоднодеформированном металле большого количества слабо закрепленных (подвижных) дислокаций, что создает возможности деформации металл при пониженных значениях пределов текучести и пропорциональности. С повышением температуры дорекристаллизационного отжига происходит процесс перераспределения атомов внедрения в пересыщенном твердом растворе (для стали) или атомов растворенных примесей или легирующих элементов в сплавах (например, алюминием в растворе на базе меди) и они перераспределяются в области вокруг дислокаций или их скоплений, закрепляя их таким образом (за счет образования атмосфер Котрелла). При этом пределы текучести и пропорциональности повышаются.

Ххххххххххххххххххххххххххххххххххх

Рекристаллизационный отжиг - это термическая обработка деформированного металла или сплава с нагревом выше температуры рекристаллизации, сопровождающаяся формированием новых равновесных зерен в деформированной матрице (рекристаллизация) и снятием наклепа.

Используется, в основном, для холоднодеформированного металла или сплава с целью обеспечения высокого уровня пластичности за счет зарождения и формирования новых равновесных зерен в деформированной матрице и снятия наклепа (рис.74). В сталях кроме этих процессов при таком отжиге может идти коагуляция и сфероидизация цементита, что повышает пластичность металла и облегчает проведение последующей холодной пластической деформации стали. Заключается в нагреве до температур ниже А_С1 (наиболее вероятный интервал температур реализации – от ~500⁰С и до»680-700⁰С), длительной выдержке и медленном охлаждении. Минимальная температура начала рекристаллизации после больших степеней деформации является характеристикой процесса и названа температурным порогом рекристаллизации - Т п.р.= (0,3-0,4)Тпл.

Например, для холоднодеформированной углеродистой стали с содержанием углерода 0,08-0,2% температура промышленного рекристаллизационного отжига находится в интервале 680-700⁰С.

Этот вид отжига могут неоднократно применять между процессами деформации (при холодной прокатке горячекатаного листа) и как окончательный вид обработки деформированного металла (например, холоднокатаный лист подготавливают под штамповку). Рекристаллизация, которая происходит при нагреве после деформации металла, называется статической рекристаллизацией, в отличие от динамической, протекающей непосредственно во время горячей деформации.

Статическая рекристаллизация подразделяется на:

-первичную;

-собирательную;

-вторичную.

Кинетика рекристаллизации (первичной) определяется теми же параметрами, что и фазовое превращение - скоростью зарождения центров рекристаллизации и линейной скоростью роста (скорость перемещения границы зерна). Время, в течение которого в деформированном металле при определенной температуре в металле еще не появляются центры рекристаллизации, называется инкубационным периодом (с повышением степени деформации и температуры отжига инкубационный период уменьшается). Главным в механизме зарождения рекристаллизованных зерен в любом деформированном материале и в любых условиях является образование участка (зародыша), окруженного высокоугловыми границами.

В зависимости от особенностей деформированного материала и особенностей процессов возврата, происходящих на начальных стадиях рекристаллизации, механизмы зарождения центров могут быть различными.

Центры рекристаллизации могут зарождаться:

1)непосредственно на границах зерен деформированного материала

-при миграции небольших участков готовой высокоугловой границы с образованием выступов “языков”;

-образованию выступа может предшествовать также и коалесценция субзерен вблизи высокоугловой границы;

-центром рекристаллизации может быть крупное и совершенное субзерно.

Рис.74 - Зависимость механических свойств и структуры холоднодефор-мированного металла от температуры его последующего нагрева [А.П. Костин].

2)внутри зерен в участках сильного локального изменения ориентировки решетки (в полосах сдвига и сброса, около крупных включений и др. дефектах)

-в местах сильных локальных искажений решетки деформированных зерен, какими являются соседние участки внутри зерна, разориентированные на большие углы (до 50 град)- так называемые деформационные полосы - обычно вытянуты вдоль направления прокатки). Если ориентировка решетки в кристалле одинакова по обе стороны от деформационной полосы, то ее называют полосой сброса (или образование продольных полос изгиба). Понятие сброс относится к геологическим явлениям, когда часть блоков горных пород смещается относительно друг друга по вертикальной или наклонной плоскости тевтонического разрыва. Аналогичные явления наблюдаются и в некоторых металлах, в т.ч. и железе. Область между соседними деформационными полосами (ДП), в которой ориентировка изменяется от одной ДП до другой, называется переходной полосой. Переходная полоса состоит также из группы (в 10-15шт) микрополос с практически параллельными границами (угол разориентировки £5 град). При больших обжатиях металлов или сплавов в сечениях, перпендикулярных направлению прокатки (в плоскости прокатки) и в сечении, проходящем через направление прокатки, образовывается система параллельных полос под углом 30-40 градусов к направлению прокатки, которые называют полосами сдвига.

С повышением степени деформации растет количество переходных полос и полос сдвига, что увеличивает количество зародышей рекристаллизации. Зарождению центров также способствует процесс полигонизации, происходящий в начале отжига. При полигонизации в результате ускоренной миграции некоторых субграниц или коалесценции субзерен (слияния) возникают большие субзерна с большой разориентировкой, что дает им преимущества в росте и при определенных ситуациях они превращаются в центры рекристаллизации, окруженные высокоугловыми границами.

Несколько двойственно влияет на процесс рекристаллизации перераспределение и частичная аннигиляция дислокаций разного знака (признак отдыха, как первой стадии возврата)- приводящая к временному повышению количества вакансий, что ускоряет диффузионные процессы и зарождение центров рекристаллизации. Но процесс возврата включает в себя и уменьшение степени дефектности зерен, т.е. уменьшение количества дислокаций и вакансий, что действует в противоположном направлении - замедляет процесс рекристаллизации. Эта стадия, способствующая ускорению формирования центров рекристаллизованных зерен, называют еще предрекристаллизационной.

А вот процесс полигонизации, при которой в деформированном металле отсутствуют обьемы с локальными изменениями кривизны решетки, способствующими образованию высокоугловых границ и центров рекристаллизации, ведет к одновременному образованию большого количества субзерен, растущих с одинаковой скоростью. При этом такие субзерна достигают больших размеров и совершенства, но при этом их границы остаются малоугловыми и малоподвижными. Такой процесс затрудняет рекристаллизацию и называется еще стабилизирующей рекристаллизацией.

Влияние примесей на процесс рекристаллизации:

-в общем случае считается, что примеси задерживают рост зерна при рекристаллизации и этот эффект проявляется наиболее сильно при наличие в металле труднорастворимых фаз (карбидов, карбонитридов, интерметаллидов и т.д.). При этом труднорастворимые фазы по разному влияют на процесс зарождения и роста рекристаллизованных зерен:

-если частицы вторичной фазы достаточно крупные (более 0,5-1мкм), то при пластической деформации матрицы вокруг них образуется скопления дислокаций одного знака и возникает локальное искривление кристаллической решетки. При деформации и последующем отжиге в этом месте формируется субзерно с большой разориентировкой по обе стороны от его субграницы, которая с ростом температуры увеличивает угловую разориентировку и превращется в высокоугловую границу. Такие места являются зародышами рекристаллизации;

-в случае, если размеры частиц вторичной фазы имеют меньший размер (менее 0,1мкм) при деформации матрицы вокруг них не происходит образования и накопления большого количества дислокаций, способных к образованию зародыша рекристаллизации. Мелкие частицы при равномерном распределении их в матрице являются стопорами для миграции субграниц и границ и поэтому тормозят как зарождение центров рекристаллизации, так и рост рекристаллизованных зерен.

Температура начала рекристаллизации зависит:

-от времени отжига;

-от степени деформации (с увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации снижается).

С увеличением времени отжига сильнодеформированного металла температура начала его рекристаллизации снижается с затуханием и достигает постоянной величины примерно через 1-2 часа отжига. Поэтому минимальная температура начала рекристаллизации после больших степеней деформации является определенной характеристикой процесса и названа температурным порогом рекристаллизации - Т п.р.=(0,3-0,4)Тпл.

Температура конца рекристаллизации зависит от тех же факторов, что и начала. В определенном температурном интервале первичная рекристаллизация достигает стадии насыщения (но не завершается полностью). При повышении температуры и выдержки процесс рекристаллизации происходит до конца, т.е. до полного исчезновения деформированных зерен.

Рост зерен при первичной рекристаллизации.

Движущей силой первичной рекристаллизации является разность в упругой энергии кристаллов по обе стороны от границы из-за различной плотности дислокаций. При первичной рекристаллизации граница зерна мигрирует в сторону от центра кривизны, “выметая” на своем пути все дефекты решетки деформированной матрицы. Миграцию высокоугловой границы при этом следует рассматривать как индивидуальный или групповой переход атомов от деформированного зерна к новому, рекристаллизованному зерну. Процесс этот диффузионный - идет направленная самодиффузия атомов перпендикулярно границе. Рекристаллизованное зерно содержит меньше дислокаций и является более совершенным. Но при этом рекристаллизованные зерна приходят в соприкосновение между собой в разные моменты времени и в разных точках своей поверхности, поэтому они имеют неправильную форму, разные размеры и разное число граней.

Дата добавления: 2014-10-23