Возврат и рекристаллизация

Деформационное упрочнение металлов (наклеп)

Явление повышения прочности и уменьшения пластичности металла в результате низкотемпературной пластической деформации называется наклепом или нагартовкой.

Причиной упрочнения является увеличение плотности дефектов кристаллической решетки металла и ее искажение. Изменение механических свойств металла в зависимости от относительной деформации приведено на рис. 2.84.10.

Рис. 2.154.10. Зависимость механических свойств металла от степени деформации

В результате наклепа происходит формирование текстуры, то есть ориентировка зерен металла в направлении деформации (рис. 2.164.11).

Наклеп может играть как положительную, так и отрицательную роль. Так наклеп создают намеренно для упрочнения канатов, цепей, арматуры железобетонных изделий и конструкций. Наклеп возникает в процессах обработки металлов давлением или резанием и здесь он играет отрицательную роль, так как затрудняет последующую механическую обработку металла.

Для устранения последствий наклепа металл подвергают рекристаллизационному отжигу.

а)

б)

Рис. 2.164.11. Схема исходной структуры металла (а) и структуры

после холодной пластической деформации (наклепа) (б)

Металл в состоянии наклепа термодинамически неустойчив. При повышении температуры в нем протекают процессы, сопровождающиеся изменением структуры и механических свойств:

1. Возврат (рис. 2.174.12) (протекает при Т < Т _пр) – процесс повышения структурного совершенства металла, деформированного в холодном состоянии в результате уменьшения плотности дефектов кристаллического строения (точечных, линейных, поверхностных, объемных).

В результате возврата:

- искаженная кристаллическая решетка (1) принимает правильную геометрическую форму (2);

- σ_в и σ_у незначительно уменьшаются, δ незначительно увеличивается;

- сохраняется текстура.

2. Первичная рекристаллизация (протекает при Т > Т _пр) – процесс образования новых равноосных мелких зерен вместо деформированных зерен (3, 4).

Температурный порог рекристаллизации (Т _пр) – минимальная температура, при которой начинается процесс рекристаллизации и происходит разупрочнение металла.

Температурный порог рекристаллизации определяют по выражению

Т _пр = α Т _пл,

где α – коэффициент, зависящий от вида металла; для чистых металлов
α = 0,1 - 0,2; для технических металлов - 0,4; для сплавов - 0,5 - 0,6;
Т _пл – температура плавления металла, К.

σ_в, σ_т,

δ

σ_в, σ_т, δ

Рис. 2.174.12. Возврат и рекристаллизация

Для Fe Т _пр = 450 °C, для Cu – 270 °C, для Al – 50 °C.

В результате первичной рекристаллизации σ_в и σ_т значительно уменьшаются, δ значительно увеличивается, уменьшается плотность дислокаций.

3. Собирательная рекристаллизация (протекает при Т > Т _св) – процесс равномерного роста зерен, образовавшихся в процессе первичной рекристаллизации (5). Образуется крупнозернистая структура, σ_в, σ_т и δ уменьшаются.

4. Вторичная рекристаллизация (протекает параллельно с собирательной рекристаллизацией) – заключается в преимущественном росте некоторых мелких зерен, так называемых «вторичных зародышей». В результате вторичной рекристаллизации образуется структура, состоящая из мелких зерен и небольшого количества очень крупных зерен (6). Такая структура нежелательна, так как имеет низкую пластичность и повышенную хрупкость.

Размер зерна металла (d _з) после первичной рекристаллизации зависит от степени предварительной деформации металла (ε) (рис. 4.13).

Величина ε_кр называется критической степенью предварительной деформации – это минимальная степень деформации, выше которой возможно протекание процесса первичной рекристаллизации.

Если ε = ε_кр в металле происходит поглощение сильнодеформированных зерен слабодеформированными и наблюдается рост гигантских кристаллов. Новые зерна не образуются.

При ε < ε_кр процесс рекристаллизации не протекает.

При ε > ε_кр процесс рекристаллизации протекает по рассмотренному выше механизму (см. рис. 4.12).

ε,

ε_кр = 3 - 15

Рис. 4.13. Зависимость размера зерна d ₃, образующегося в результате первичной рекристаллизации, от степени предварительной деформации металла

Увеличение размера зерна приводит к уменьшению предела текучести металла в соответствии с зависимостью Холла-Петча:

где σ_т – предел текучести, σ₀ и k – постоянные величины для данного металла, d _з - диаметр зерна.

Следовательно, конструкционные металлы должны иметь мелкокристаллическую структуру. В то же время для магнитных материалов, например для технического железа, увеличение размера зерна приводит к увеличению магнитных характеристик.

В зависимости от температуры нагрева металла различают следующие виды обработки металла давлением (ковкой, штамповкой и др.):

- холодная или низкотемпературная обработка – деформация металла производится при Т < Т _пр. При этом виде обработки происходит упрочнение металла за счет протекания процесса наклепа;

- горячая или высокотемпературная обработка- деформация металла производится при Т > Т _пр. Здесь деформационного упрочнения металла не происходит, так как возникающий наклеп уничтожается протекающими процессами рекристаллизации.

Для Fe t _пр = 452 °C, следовательно, если температура его деформации t _деф < 452 °C, то обработка называется холодной, если t _деф > 452 °C – горячей.

Контрольные вопросы

1. Что такое ударная вязкость?

2. Что такое порог хладноломкости?

3. Что такое температура полухрупкости, запас вязкости?

4. Что такое усталость и выносливость?

5. Назовите параметры, оценивающие выносливость материала.

6. Что такое наклеп?

7. Что такое возврат и рекристаллизация?

8. Что такое температурный порог рекристаллизации?

9. Как влияет размер зерна металла на предел текучести?

10. Чем отличаются холодная и горячая обработки металла давлением?

РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

Дата добавления: 2017-01-13