2.2. Изменение микроструктуры металлов при холодной пластической деформации

1. При приложении нагрузки к отожженному однофазному материалу с равноосными зернами (рис.3,а) процессы скольжения дислокаций начинаются в некоторых зернах, благоприятно ориентированных для легкого скольжения. Длина пробега дислокаций велика. Количество дислока-

а б в г

Рис.3.Схема изменения микроструктуры поликристаллического металла при

различных степенях деформации:

а).  =0%; б).  =1-10%; в).  = 40 -60 %; г).  =80-90%

ций незначительно возрастает за счет генерирования самых активных источников. Скольжение дислокаций приводит к образованию ступенек на поверхности кристалла (рис.2). Деформация имеет неоднородный характер: на отдельных участках кристалла скапливаются целые стопки таких ступенек, и они формируют полосы сдвига (скольжения), а слои кристалла между ними остаются недеформированными.

Протекание сдвиговой деформации обнаруживается металлографически по следам деформации: полосам сдвига и (или) двойникам деформации. На образцах можно наблюдать группы параллельных линий скольжения, образующие полосы сдвига и разбивающие зерно на части (пачки скольжения). Полосы сдвига имеют вид прямых либо искривленных штрихов в зависимости от того, как движутся дислокации при скольжении (рис.4,а). Двойники деформации представляют собой пластину внутри зерна,

Рис. 4. Микроструктура ; а). слабодеформированной легированной стали , × 200;

б). крупнозернистого железа после слабой высокоскоростной деформации , × 100

кристаллическая решетка которой определенным образом повернута относительно решетки исходного зерна. Двойниковые пластины лежат вдоль определенных плоскостей сдвига и имеют характерное заострение на концах (рис.4,б). Таким образом, хорошо видные на рис.4 полосы скольжения - это участки с очень высокой плотностью дислокаций (они травятся быстрее других участков именно из-за высокой плотности дислокаций). Именно в этих участках скользили имеющиеся дислокации и возникали новые; здесь в

итоге сосредоточена пластическая деформация.

Деформация на этой стадии идет за счет возникновения новых линий скольжения, плотность которых повышается с ростом деформации, и может достигать десятка процентов, а единственным фактором незначительного упрочнения является задержка части дислокаций у субграниц и границ в кристалле. При малых степенях деформации ( <10%) зерна сохраняют практически равноосную форму (рис.3,б; рис.4) .

2. При повышении напряжения пачки скольжения сдвигаются относительно друг друга и поворачиваются относительно действующей силы, изгибаются и вытягиваются. Одновременно происходит поворот отде-

льных зерен в направлении, предпочтительном для сдвига, и начинается множественное скольжение сразу по нескольким системам; дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях, взаимодействуют друг с другом, закрепляются в точках пересечения дислокационных линий, образуя узлы, сетки, сплетения, решетки из дислокаций, имеющие плоский и пространственный характер, разбивающие объем дефор­мированного зерна и весь кристалл в целом на отдельные ячейки с поперечником < 0,5 мкм, сравнительно свободные от дислокаций. Образование ячеистой структуры начинается от границ зерен. Ячеистая структура с дислокационными субграницами проявляется уже при деформации 5%, при  = 9-16% - выявляется более четко, а после деформации 30% эта структура полностью сформирована со средним размером ячеек ≈2 мкм. При этом возрастает количество препятствий свободному распространению пластических сдвигов, число новых источников дислокаций, генерирующих новые дислокации, плотность которых возрастает до максимально возможной 10¹¹-10¹² см/см³. Все это приводит к возрастанию сопротивления движению дислокаций, образуется сложная дислокационная структура, характеризующаяся изгибами и поворотами, длина пробега дислокаций существенно сокращается, у границ зерен они скапливаются и создают поля напряжений, отталкивающие приближающиеся дислокации, для продвижения которых требуются все большие внешние нагрузки, и это является причиной быстрого (линейного) деформационного упрочнения (наклепа) на этой стадии.

Пока деформация мала (рис.3,б), зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенной нагрузке. С ростом деформации все большее их количество принимает кристаллографическую ориентировку и вытягивается в направлении пластического течения – в направлении приложенной силы (например, в направлении прокатки или волочения или др.) - рис.3,в. С увеличением степени деформации этот эффект возрастает, и зерна материала приобретают вытянутую форму и выраженную направленность. При этом нарастает количество и плотность расположения следов деформации в зернах; отдельные полосы скольжения сливаются и становятся неразличимыми, и поэтому внутри зерна травление шлифа выявляет лишь полосчатый сильно травящийся рельеф (рис.5).

3. Под действием значительной деформации ( >60-70%) зерна стано-вятся настолько вытянутыми, что выявление их границ при травлении затру-друднено, а тело зерен травится почти также сильно, как и границы зерен:

.

Рис. 5. Микроструктура технического железа после деформации со степенью обжатия 60 %, ×340

возникает волокнистая (фибровая) микроструктура (рис.3,г, рис.6). В процессе ее формирования все зерна стремятся развернуться таким образом, чтобы направление сдвига в действующей системе скольжения

Рис. 6. Волокнистая структура в образце вольфрама после деформации ε =80 %, × 600

совпадало с направлением деформации тела, т.е. повернуться одинаково вдоль плотноупакованного кристаллографического направления, а значит приобрести одинаковую пространственную ориентировку. Такая преимущественная пространственная ориентировка кристаллических решеток зерен называется текстурой деформации. Слабая текстура

улавливается рентгенографически уже при деформации 5-10%, максимально четкая - при 70-90% деформации. Вид текстуры определяется типом кристаллической решетки металла и зависит от его микроструктуры и химического состава, а также - характера и схемы деформации.

Таким образом, пластическая деформация вызывает в металле следующие структурные изменения:

• внутреннего строения зерен, в первую очередь их дислокационной структуры;

• формы и размера зерен;

• их кристаллографической ориентировки.

На процесс деформационного упрочнения кроме степени деформации влияют также природа материала (тип кристаллической решетки) - рис.7, температура, скорость деформирования, размер зерна и др. факторы.

Рис.7. Кривые деформационного упрочнения кристаллов с кубической и гексагональной решетками (ε - деформация сдвига)

Сохранение неразрывности вдоль поверхности раздела фаз при деформировании двухфазного поликристалла усложняет пластическое течение и приводит к большему упрочнению по сравнению с однофазными.