Тема 10.3. Деформационное упрочнение и его причины

С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются (рис. 10.5).

Совокупность явлений, связанных с изменением механических свойств металлов в процессе пластической деформации называют деформационным упрочнением или наклепом.

Рис.10.5. Влияние холодной пластической деформации на механические свойства металла

У прочнение при наклепе объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций: . Деформационное упрочнение при пластической деформации возникает из-за затруднения движения дислокаций, когда исчерпываются возможности скольжения (двойникования) в данных плоскостях. При этом происходит повышение плотности и увеличение кривизны дислокаций, образуются точечные дефекты и барьеры типа Ломера — Коттрелла, фрагменты и пересечения плоскостей скольжения, ступеньки на дислокациях, узлы и другие сложные дислокационные построения. Деформационное упрочнение также связано с упругим взаимодействием дислокаций, движущихся в данной плоскости скольжения, и лесом дислокаций, пересекающих эту плоскость.

Тема 10.4. Понятие о сверхпластичности металлов

Под сверхпластичностью понимают способность металла к зна­чительной пластической деформации (δ = 100...1000 %) при ма­лом сопротивлении деформации (1...10 МПа) и определенных условиях деформирования. Определенные условия деформирования для одной из разновидностей сверхпластичности – струк­турной определяются температурой выше 0,5 t_пл,, величиной зерна исходного металла 0,5...10 мкм, скоростью деформации ε = ε / τ = 10^-5...10^-' с^-', где ε – степень деформации (безразмер­ная величина), τ –время деформации, с.

Сверхпластичность не является свойством металлов и спла­вов, а при соответствующей подготовке структуры для получе­ния ультрамелкого зерна и при определенных режимах – тем­пературе и скорости деформации – она проявляется у значительного числа металлов и сплавов, обрабатываемых давлением (сплавы алюминия, магния, меди, титана, железа и др.). Сверх­пластичность может иметь место при условии, когда в процессе деформации в металле отсутствует наклеп и не образуется ло­кальная деформация (шейка, утонение). Структурная сверхпластическая деформация протекает главным образом благодаря зернограничному скольжению с участием внутризеренного дислокационного скольжения. Явление сверхпластичности в промышленности используют главным образом при объемной изотермической штамповке.

Тема 10.5. Процессы, происходящие при отжиге деформированных металлов. Разновидности рекристаллизации

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

В свою очередь, при возврате различают отдых и полигонизацию.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки.

Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре _..

Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.

Полигонизация – процесс деления зерен на фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций. При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 10.6).

В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный.

Рис. 10.6. Расположение краевых дислокаций в деформированном металле (а) и после полигонизации (б)

Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис. 10.7). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются. Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис. 10.7-1). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.

  При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Рис. 10.7 - Влияние нагрева на механические свойства и структуру наклепанного металла: 1- возврат; 2, 3 - первичная рекристаллизация; 4 - собирательная рекристаллизация

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности.

1 стадия – первичная рекристаллизация заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен (рис.10.7-3).

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен (рис.10.7-4).

Движущей силой является стремление системы снизить поверхностную энергию зерен за счет их укрупнения и снижения общей протяженности границ, в результате чего система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления Т_рек = Т_пл: для металлов =0,4, для твердых растворов =0,5…0,8, для металлов высокой чистоты =0,1-0,2.

Н а свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t₁ начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.

Рис. 10.8. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 10.8).

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической.