Особливості деформації полікристалічних тіл.

 

Розглянемо холодну пластичну деформацію полікристала. Пластична деформація металів і сплавів як тіл полікристалічних, має деякі особливості в порівнянні із пластичною деформацією монокристала.

Деформація полікристалічного тіла складається з деформації окремих зерен і деформації в прикордонних об'ємах. Окремі зерна деформуються ковзанням і двійникуванням, однак взаємний зв'язок зерен і їхня множинність у полікристалі вносять свої особливості в механізм деформації.

Площини ковзання зерен довільно орієнтовані в просторі, тому під впливом зовнішніх сил напруги в площинах ковзання окремих зерен будуть різні. Деформація починається в окремих зернах, у площинах ковзання яких виникають максимальні дотичні напруження. Сусідні зерна будуть розвертатися й поступово утягуватися в процес деформації. Деформація приводить до зміни форми зерен: зерна одержують форму, витягнуту в напрямку найбільш інтенсивного плину металу (повертаються осями найбільшої міцності уздовж напрямку деформації).

Зміна структури при деформації: а) до деформації; б) після обтиснення на 35%; в) після обтиснення на 90%.

 

Метал здобуває волокниста будова. Волокна з витягнутими уздовж них неметалічними включеннями є причиною неоднаковості властивостей уздовж і поперек волокон. Одночасно зі зміною форми зерен у процесі пластичної деформації відбувається зміна орієнтування в просторі їхньої кристалічної решітки.

Коли кристалічні решітки більшості зерен одержують однакове орієнтування, виникає текстура деформації.

 Вплив пластичної деформації на структуру й властивості металу: наклеп

 

Т екстура деформації створює кристалічну анізотропію, при якій найбільша різниця властивостей проявляється для напрямків, розташованих під кутом 45^o друг до друга. Зі збільшенням ступеня деформації характеристики пластичності (відносне подовження, відносне звуження) і в'язкості (ударна в'язкість) зменшуються, а характеристики міцності (межа пружності, границя текучості, межа міцності) і твердість збільшуються Також підвищується електроопір, знижуються опір корозії, теплопровідність, магнітна проникність.

Вплив холодної пластичної деформації на механічні властивості металу

 

Сукупність явищ, пов'язаних зі зміною механічних, фізичних і інших властивостей металів у процесі пластичної деформації називають деформаційним зміцненням або наклепом.

Зміцнення при наклепі пояснюється зростанням на кілька порядків щільності дислокацій:

Їхнє вільне переміщення утрудняється взаємним впливом, також гальмуванням дислокацій у зв'язку зі здрібнюванням блоків і зерен, перекручуваннями решітки металів, виникненням напруг.

 

Вплив нагрівання на структуру й властивості деформованого металу: повернення й рекристалізація

 

Деформований метал перебуває в нерівновагому стані. Перехід до рівноважного стану пов'язаний зі зменшенням перекручувань у кристалічній решітці, зняттям напруг, що визначається можливістю переміщення атомів.

При низьких температурах рухливість атомів мала, тому стан наклепу може зберігатися необмежено довго.

При підвищенні температури металу в процесі нагрівання після пластичної деформації дифузія атомів збільшується й починають діяти процеси роззміцнення, що приводять метал у більше рівноважний стан – повернення й рекристалізація.

Повернення. Невелике нагрівання викликає прискорення руху атомів, зниження щільності дислокацій, усунення внутрішніх напружень і відновлення кристалічної решітки

Процес часткового разупрочнения й відновлення властивостей називається відпочинком (перша стадія повернення). Має місце при температурі

_..

Повернення зменшує перекручування кристалічної решітки, але не впливає на розміри й форму зерен і не перешкоджає утворенню текстури деформації.

П олігонізація – процес розподілу зерен на частині: фрагменти, полігони в результаті ковзання й переповзання дислокацій.

При температурах повернення можливе угруповання дислокацій однакових знаків у стінки, розподіл зерна маловугловими границями.

Схема полігонізації: а – хаотичне розташування крайових дислокацій у деформованому металі; б – дислокаційні стінки після полігонізації.

 

У полігонізованому стані кристал має меншу енергію, тому утворення полігонів - процес енергетично вигідний.

Процес протікає при невеликих ступенях пластичної деформації. У результаті знижується міцність на (10...15) % і підвищується пластичність. Границі полігонів мігрують убік більшої об'ємної щільності дислокацій, приєднуючи нові дислокації, завдяки чому кути розорієнтовки зерен збільшуються (зерна аналогічні зернам, що утворяться при рекристалізації). Змін у мікроструктурі не спостерігається Температура початку полігонізації не є постійною. Швидкість процесу залежить від природи металу, змісту домішок, ступеня попередньої деформації.

Вплив нагрівання деформованого металу на механічні властивостей

 

Зміна структури деформованого металу при нагріванні

 

При нагріванні до досить високих температур рухливість атомів зростає й відбувається рекристалізація.

Рекристалізація – процес зародження й росту нових недеформованих зерен при нагріванні наклепаного металу до певної температури.

Н агрівання металу до температур рекристалізації супроводжується різкою зміною мікроструктури й властивостей. Нагрівання приводить до різкого зниження міцності при одночасному зростанні пластичності. Також знижується електроопір й підвищується теплопровідність.

1 стадія – первинна рекристалізація (обробки) полягає в утворенні центрів кристалізації й росту нових рівноважних зерен з неспотвореною кристалічною решіткою. Нові зерна виникають у границь старих зерен і блоків, де решітка була найбільш перекручена. Кількість нових зерен поступово збільшується й у структурі не залишається старих деформованих зерен.

Рушійною силою первинної рекристалізації є енергія, акумульована в наклепаному металі. Система прагне перейти в стійкий стан з неспотвореною кристалічною решіткою.

2 стадія - збірна рекристалізація полягає в росту нових зерен, що утворилися.

Рушійною силою є поверхнева енергія зерен. При дрібних зернах поверхня роздягнула більша, тому є великий запас поверхневої енергії. При укрупненні зерен загальна довжина границь зменшується, і система переходить у більше рівноважний стан.

Температура початку рекристалізації пов'язана з температурою плавлення, для металів, для твердих розчинів, для металів високої чистоти.

На властивості металу великий вплив робить розмір зерен, що вийшли при рекристалізації. У результаті утворення крупних зерен при нагріванні до температури t₁ починає знижуватися міцність і, особливо значно, пластичність металу.

Основними факторами, що визначають величину зерен металу при рекристалізації, є температура, тривалість витримки при нагріванні й ступінь попередньої деформації

Вплив попереднього ступеня деформації металу на величину зерна після рекристалізації

 

З підвищенням температури відбувається укрупнення зерен, зі збільшенням часу витримки зерна також укрупнюються. Найбільш великі зерна утворяться після незначної попередньої деформації 3...10 % Таку деформацію називають критичною. І така деформація небажана перед проведенням рекристалізаційного відпала.

Практично рекристалізаційний відпал проводять для маловуглецевих сталей при температурі 600…700^oС, для латуней і бронз – 560…700^oС, для алюмінієвих сплавів – 350…450^oС, для титанових сплавів – 550…750^oС.