5. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла

Пластическая деформация – необратимое изменение формы и размеров материала под действием нагрузки без раз- рушения.

1. Пластическая деформация начинается в металле, когда напряжение достигает предела текучести.

При этом в некоторых зернах поликристалла начинается движение дислокаций по плоскостям скольжения, вдоль которых действуют наибольшие сдвиговые напряжения (рис. 1, б). При увеличении нагрузки сдвиг начинается и в других зернах, где плоскости скольжения ориентированы менее благоприятно.

2. Пластическая деформация приводит к изменению формы зерен – они вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис. 1, в).

3. Одновременно с движением дислокаций происходит увеличение их количества, растет искаженность кристаллической решетки. Это все более затрудняет скольжение дислокаций, а значит и пластическую деформацию – металл упрочняется, а его пластичность падает.

Наклеп – увеличение прочности материала под действием пластической деформации. Одновременно с этим растет электрическое сопротивление, коэрцитивная сила металла, но уменьшается его пластичность, коррозионная стойкость, магнитная проницаемость.

Такую обработку (иначе называют – нагартовка) широко применяют в технике для поверхностного упрочнения деталей. Листовой металл для штамповки часто поставляют потребителю в наклепанном состоянии.

4. При больших степенях деформации зерна очень сильно вытягиваются (рис. 1, г) и металл приобретает волокнистое

(строчечное) строение.

В исходном (отожженном) состоянии металл был изотропен (его свойства одинаковы в разных направлениях), так как внутри равноосных зерен кристаллическая решетка была ориентирована в пространстве случайным образом.

В холоднодеформированном металле механические свойства вдоль направления прокатки и поперек ее резко отличаются. Причина в том, что поперек прокатки встречается много границ зерен, которые обычно ослаблены скоплением вредных примесей и менее прочны.

Процессы при нагреве деформированного металла

Рекристаллизация является диффузионным процес­сом и протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллиза­ции металл состоит из новыхравноосных зерен. Более высокий нагрев приводит к развитию собирательной ре­кристаллизации, т. е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше тем­пература нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создаются условия для образования крупнозернистого металла. Собирательная рекристаллизация также протекает не­равномерно и практически начинается значительно рань­ше, чем закончится рекристаллизация обработки.

Рисунок 1 – Схема влияния на величину рекристаллизованного зерна

температуры (а) и продолжительности нагрева (б)

  Размер рекристаллизованного зерна оказывает боль­шое влияние на свойства металла. Наилучшее сочетание прочности и пластичности наблюдается в мелкозерни­стых сталях. На величину рекристаллизованного зерна оказывает влияние температура рекристаллизационного отжига (рисунок1, а), продолжительность процесса (рисунок 1, б), степень предварительной деформации и химический состав металла. Чем выше темпера­тура отжига и длительнее процесс, тем больше размеррекристаллизованного зерна.

Рисунок 1 – Схема влияния температуры на механические свойства и

структуру деформированного металла

 

При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации (t_нр) предел прочности и особенно предел текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. В процессе собирательной рекристаллизации механические свойства практически не изменяются. Более высокий нагрев сопровождается дальнейшим ростом зерна и уменьшением пластичности вследствие перегрева.

Деформированный металл по сравнению с недеформированным имеет повышенный запас энергии и находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии. В таком металле даже при комнатной темпе­ратуре могут самопроизвольно протекать процессы, при­водящие его в более устойчивое состояние. Однако, если деформированный металл нагреть, то скорость этих про­цессов возрастает. Небольшой нагрев (для железа 300-400°С) ведет к снятию искажений кристаллической ре­шетки, но микроструктура остается без изменений, зерна по-прежнему вытянуты. Прочность при этом несколько; снижается, а пластичность повышается. Такая обработка называется возвратом или отдыхом.

При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равноосных сво­бодных от напряжений зерен. Зародыши новых зерен возникают в участках с наиболее искаженной кристаллической решеткой, с повышенным уровнем свободной энергии, термодинамически наименее устойчивых. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкно­вения друг с другом и до полного исчезновения вытя­нутых зерен. Это явление называется рекристалли­зацией (первичной).

Рекристаллизация является диффузионным процес­сом и протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллиза­ции металл состоит из новых равноосных зерен. Более высокий нагрев приводит к развитию собирательной ре­кристаллизации, т. е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше ­температура нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создают условия для образования крупнозернистого металла.