7.5. Свойства холоднодеформированных металлов
В результате холодного деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства (увеличивается твердость, временное сопротивление, условный предел текучести, предел упругости, понижаются пластичность и ударная вязкость).
Путем наклепа твердость и временное сопротивление можно повысить в 1.5-3 раза, а предел текучести - в 3-7 раз. Металлы с ГЦК – решёткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК–решёткой.
Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образования микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование (с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом). Наклепанный слой стремится расшириться, встречая сопротивление со стороны ненаклёпанных участков. В результате в этом ненаклепанном слое возникнут напряжения сжатия, а под ним – напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и, тем самым, увеличивают долговечность деталей.
Наклепанные металлы легче корродируют. Образование текстуры деформации вызывает анизотропию свойств.
7.6. Возврат и рекристаллизация
При холодном деформировании создается неравновесная структура. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций.
При нагреве происходят: возврат и рекристаллизация. Возврат делится на отдых и полигонизацию.
Возврат – все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, то есть размер и форма зерен не изменяются.
Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. В результате образуются равноосные зерна (рис.7.6).
Рис. 7.6. Рекристаллизация деформированного сплава
а – структура наклепанного металла, б – зарождение зерен более правильного строения
в –вторичная рекристаллизация (неравномерный рост одних зерен по сравнению с другими)
Отдых – стадия возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий. Отдых уменьшает удельное электросопротивление и повышает плотность металла. Твердость и прочность уменьшаются на 10-15% и увеличивается пластичность. После отдыха повышается сопротивление коррозионному растрескиванию.
Полигонизация – процесс формирования субзерен, разделённых малоугловыми границами. Эти субзерна практически не содержат дислокаций. Уменьшается плотность дислокаций за счет взаимоуничтожения дислокаций противоположных знаков.
Полигонизация бывает предкристаллизационная и стабилизирующая.
Предкристаллизационная - начальная стадия первичной рекристаллизации.
Стабилизирующая- представляет собой формирование субзерен, разделенных плоскими дислокационными стенками. Стенки малоподвижны и весьма устойчивы, при дальнейшем нагреве они сохраняются практически до температуры плавления. После формирования субзеренной структуры рекристаллизация не происходит (рис.7.7).
Стабилизирующая полигонизация развивается при определенных условиях:
- отсутствие ячеистой дислокационной структуры;
- избыток краевых дислокаций одного знака.
Такие условия характерны для монокристаллов и крупнозернистых монокристаллов после небольших пластических деформаций.
Рис. 7.7. Схема стабилизирующей полигонизации (а)
с образованием субзеренной структуры (б)
Значение полигонизации
упрочняет металл по аналогии с формированием мелкозеренной структуры с высокоугловыми границами;
снижает остаточные напряжения, повышает сопротивление коррозионному растрескиванию;
повышает жаропрочность деталей (т.к. границы субзерен являются препятствием для переползания дислокаций;
оптимальное сочетание пластичности и высокой прочности.
Рекристаллизация бывает первичная, собирательная, вторичная.
Первичная рекристаллизация начинается с образования зародышей новых зерен а заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой (рис.7.6).
Для начала первичной рекристаллизации требуется:
предварительная деформация больше критической;
Трек = а ·Тпл – температура нагрева должна превысить критическое значение.
Коэффициент а снижается при увеличении степени деформации.
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов.
Собирательная рекристаллизация – самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекристаллизации.
Вторичная рекристаллизация – стадия неравномерного роста одних зерен, по сравнению с другими.
Для конструкционных сплавов анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам. Однако иногда появляется предпочтительная кристаллографическая ориентация зерен – текстура рекристаллизации. Она имеет практическое значение для сплавов с особыми физическими свойствами (трансформаторная сталь – уменьшаются потери на перемагничивание по определенным направлениям листа.)
Рекристаллизация многофазных сплавов представляет собой более сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых зерен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры и объемные соотношения между фазами. Чем ближе расположены частицы второй фазы, тем труднее перемещаться границе нового зерна и тем сильнее тормозится рекристаллизация.
При горячем деформировании материала с ультрамелким зерном (0,5-10мкм) появляется сверхпластичное состояние металла. При низких скоростях деформирования металл течет равномерно, не упрочняясь. В этом состоянии металл можно деформировать на 200-300% без разрушения.
Сверхпластичность наблюдается при горячем деформировании сплавов вблизи температуры полиморфного превращения или плавления.