Процессы, протекающие при нагреве

При нагревании деформируемого металла протекают разупрочняющие процессы. Первый из них - возврат – протекает при всех температурах, но при холодной деформации разупрочнение настолько несущественно, что им можно пренебречь. При возврате за счет диффузионных процессов атомы металла стремятся возвратиться в равновесное состояние, при этом снижаются остаточные напряжения, залечиваются дефекты, образовавшиеся при деформации. С повышением температуры активизируются диффузионные процессы, зависящие от Т⁴ (от температуры в четвертой степени), поэтому скорость возврата резко возрастает и при температурах выше (0,25 – 0,30) Т_пл становится существенной. (Т_пл – температура плавления в Кельвинах). Возвратные процессы протекают во времени, поэтому, чем меньше скорость деформации, тем большее влияние они оказывают на механические свойства металла. Возврат приводит к некоторому снижению сопротивления деформации и увеличению пластичности, но в целом при деформации металла даже при указанных температурах возврат мало влияет на картину упрочнения, связанную с наклепом. Механические свойства меняются мало, хотя технологический эффект от возвратных механизмов может быть достаточно весомым. Например, за счет снижения остаточных напряжений в металле значительно улучшаются эксплуатационные характеристики, повышается его коррозионная стойкость, резко снижается растрескивание металла при холодной штамповке и т.д.

При температурах выше 0,4 Т_пл на процессы возврата накладывается гораздо более мощный разупрочняющий процесс – рекристаллизация. Рекристаллизация характеризуется появлением новых зародышей на границах старых деформированных зерен и ростом новых зерен за счет энергии деформированных. Новые зерна не наклепаны и равноосны, Рекристаллизация полностью снимает наклеп деформированного металла. Рост зерен протекает во времени, и чем выше температура, и меньше скорость деформации, тем полнее протекает рекристаллизация. Первоначально количество новых зерен и их величина зависит от количества зародышей, то есть микрочастиц, обладающих достаточной энергией для зарождения зерна. Но при высоких температурах за счет поглощения одних зерен другими происходит укрупнение зерен (происходит собирательная рекристаллизация).

При пластической деформации металла выше температур начала рекристаллизации протекают одновременно процессы упрочнения и разупрочнения металла. Наклеп возникает мгновенно и определяется степенью деформации. Рекристаллизация и возврат протекают во времени и зависят от температуры и скорости деформации. Соотношение между процессами упрочнения и разупрочнения определяется температурой, скоростью и степенью деформации, но решающим при этом являются время, отпущенное для реализации разупрочняющих процессов.

В зависимости от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения в металла в теории обработки металлов различают следующие виды пластической деформации:

- горячая деформация, когда возникающий при деформации наклеп полностью снимается проходящими процессами разупрочнения;

- холодная деформация, при которой полностью господствует наклеп, процессы возврата не очень влияют на механические свойства;

- теплая деформация, когда процессы возврата достаточно развиты, но рекристаллизация еще не началась; для некоторых металлов повышение пластичности при теплой деформации достаточно, чтобы построить конкретную технологию обработки давлением. К примеру, прокатка молибдена при температурах порядка 1200 ⁰С, которые для этого металла находятся в интервале теплой деформации, позволяет полностью устранить трещинообразование, а горячая прокатка при температурах 1500 – 1600 ⁰С становится дорогой и нецелесообразной.

С. И. Губкин определил не три, а четыре вида пластической деформации: горячая, холодная, неполная горячая и неполная холодная. Определение горячей и холодной деформации полностью совпадает с данным выше, а неполная холодная деформация – это теплая деформация в старом определении. Неполная горячая деформация, выделенная С.И. Губкиным в самостоятельный вид деформации, характеризуется тем, что процессы рекристаллизации уже протекают, но недостаточно интенсивно, чтобы полностью устранить наклеп. Такой вид деформации возникает при сравнительно низких температурах деформации, при пластической обработке сплавов с низкой скоростью рекристаллизации и при высоких скоростях деформации. В структуре металла, прошедшего такую обработку, наряду с равноосными рекристаллизованными зернами имеются вытянутые нерекристаллизованные. Взаимодействие зерен приводит к возникновению значительных остаточных напряжений в металле и к снижению его пластичности после охлаждения, например, при штамповке в холодном состоянии. Для алюминиевых, магниевых и других сплавов с многофазной метастабильной структурой неполная горячая деформация вредна, так как обеспечивает низкие пластические свойства готового изделия. Такие сплавы деформируют при низких скоростях деформации и высоких температурах, добиваясь полного протекания процессов рекристаллизации, то есть в условиях горячей деформации.

Предел текучести металла как основная прочностная характеристика в момент пластической деформации определяется степенью деформации, скоростью деформации и температурой. В общем виде зависимость предела текучести от скорости деформации при разных температурах и постоянной степени деформации представлена на рис. 10. Более

s_s

н/мм² Рис 10.

Зависимость предела

текучести от температуры

и скорости деформации.

Т

10^-1 10⁰ 10 10² 10³ u, 1/ c

подробно этот вопрос будет рассмотрен позже. Отметим еще раз, что в теории пластичности принято считать, что предел текучести металла не зависит от схемы напряженного состояния металла и одинаков при растяжении, прокатке, волочении и других видах обработки. В общем случае это не так. Пределы текучести для каждого процесса различны, потому что для большинства сплавов схема напряженного состояния влияет на прочностные характеристики, так как поликристаллическое строение, сложный фазовый состав, сложный состав межзеренного материала вносят существенный вклад в общую картину деформации и уменьшают долю главного фактора пластической деформации – скольжения дислокаций внутри кристаллита. Например, при прокатке предел текучести определяется в базовых условиях прокатки, и он не равен пределу текучести при растяжении. Часто истинный предел текучести материала для конкретного технологического процесса обозначают через К, чтобы отличать от значения s_s, оставленного для предела текучести при растяжении.

В реальных сплавах, наряду с процессами упрочнения и разупрочнения, с повышением температуры могут протекать и другие процессы, также влияющие на прочностные и пластические характеристики. Например, в некоторых углеродистых сталях при температурах возврата (при 200 –300 ⁰С) в плоскостях скольжения выпадают мелкодисперсные частицы, которые затрудняют движение дислокаций, вызывая снижение пластичности и повышение прочностных характеристик. Это явление называется старением металла. Нередко старение используется для повышения прочности стали. Но в процессе деформации сплава при температурах старения снижается пластичность, что может привести к растрескиванию металла.

Размер зерна после рекристаллизации также существенно влияет на свойства металла. Крупные зерна нежелательны, так как при этом снижаются пластические свойства металла. В процессе деформации это приводит к появлению трещин. На крупнозернистом металле особенно сильно снижается пластичность при ударном нагружении – ударная вязкость металла. Крупные зерна могут возникнуть, например, при длительных выдержках металла при высоких температурах перед горячей деформацией. Длительные выдержки вредны также потому, что, помимо укрупнения зерна, сопровождаются увеличением слоя окалины на поверхности металла, обезуглероживанием поверхности, иногда появлением поверхностных трещин, не говоря уже о повышенном расходе топлива.

Размеры равноосных зерен, получаемых в результате рекристаллизации при горячей деформации, зависят от температуры, степени и скорости деформации, и могут быть представлены в виде диаграммы рекристаллизации, показанной на рис. 11. Такие диаграммы экспериментально

Рис 11. Диаграмма

рекристаллизации

строятся для каждого сплава и используются при назначении температурно-скоростных режимов его деформации. Видно, что при малых степенях деформации до 3 – 7 % размерзерна не изменяется, но при степенях деформации чуть выше указанных (критических) резко возрастает и при более высоких степенях деформации практически не зависит от e. Деформация металла со степенями деформации, близкими к критическим, не желательна. Такое поведение кривой объясняется тем, что при критических степенях деформации еще не закрепощены процессы собирательной рекристаллизации, и зерно растет беспрепятственно. С увеличением степени деформации эти процессы замедляются вследствие появления большего количества искажений, обломков кристалла и пр., и размер зерна перестает зависеть от степени деформации. При очень высоких степенях деформации зерно может вновь расти за счет высокой энергии накопленной деформации, которая расходуется на рост зерен.

Дата добавления: 2014-01-07