Пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 3. Пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Содержание

1. Механизм пластической деформации

2. Структура и свойства пластически деформированных металлов

3. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

1. Механизм пластической деформации

пластический деформация металл нагрев

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. При нагружении металлического изделия сначала возникают упругие деформации, вызванные незначительными смещениями атомов. При снятии нагрузки эти деформации исчезают.

Когда касательные напряжения возрастают выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняются упругие деформации, а оставшаяся деформация называется пластической деформацией. Способность к пластической деформации у металлов объясняется наличием металлической связи.

Пластическая деформация в монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Имеются две разновидности сдвига: скольжение и двойникование.

Скольжение - основной вид сдвига в металлах и сплавах, двойникование имеет второстепенное значение. Механизм двойникования сложен и в дальнейшем не рассматривается.

Рис. 1. Движение краевой дислокации с выходом ее на поверхность ф- напряжение сдвига

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций при действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений. В плоскости скольжения обычно расположены десятки дислокаций. Критическое напряжение сдвига наименьшее в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов. Это объясняется тем, что расстояние между такими атомными плоскостями наибольшее, а значит, связь между ними наименьшая. В решетке ГЦК это плоскости, в которых атомы располагаются в углах равносторонних треугольников, как показано на рис.2,б. Положение плоскости в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми плоскостью по осям x, y, z, в целых единицах периода решетки. Принято за кристаллографические индексы брать обратные величины. В решетке ГЦК плоскости с наиболее плотной упаковкой отсекают одинаковые отрезки по осям, равные периоду решетки и обозначаются (111). В решетке ОЦК (рис.14,а) наиболее плотноупакованными являются 12 плоскостей типа (110).

Рис.2.Плотноупакованные плоскости в решетках: а) ОЦК, б) ГЦК

Направления скольжения показаны на рис.2 стрелками.

В поликристаллическом металле плоскости и направления скольжения в каждом зерне различные. Поэтому при увеличении внешней силы скольжение первоначально начинается в наиболее благоприятно ориентированных зернах, где достигнуто критическое касательное напряжение. Движение дислокаций, начавшееся в одном зерне, не может переходить в соседнее зерно с другой ориентацией плоскостей скольжения. Достигнув границы зерна, дислокации останавливаются и могут только сближаться как витки пружины, оказывая сопротивление такому сближению. Для перемещения дислокаций в соседних зернах требуется увеличивать нагрузки.

В процессе скольжения возникают новые дислокации, поэтому в металлах возможны большие пластические деформации без разрушения. Существует несколько механизмов образования новых дислокаций, наиболее важным из них является источник Франка-Рида (рис.3).

Рис.3. Схема образования новой дислокации при действии источника Франка-Рида

Если краевая дислокация оказывается закрепленной в двух точках (атомами примесей, пересечением с другой дислокацией и т.п.), касательные напряжения приводят к ее изгибу. Когда дислокация примет форму полуокружности, она распространяется самопроизвольно в виде двух спиралей (рис.3,IV). При встрече спиралей возникает расширяющаяся замкнутая дислокационная петля, которая отрывается от источника, а оставшийся отрезок возвращается в исходное положение и может участвовать в образовании новых дислокаций. В поликристаллических металлах каждый такой источник дает 70-80 новых дислокаций. Затем источник затухает, так как дислокации останавливаются границами зерен и для их сближения требуется увеличивать касательные напряжения. Но при этом начинают работать другие подобные источники. Так плотность дислокаций в металле возрастает с 10 ⁸ до 10 ¹² см ^-2 в процессе холодной листовой прокатки, волочении проволоки, холодной штамповке.

2. Структура и свойства пластически деформированных металлов

У большинства металлов уже при небольших степенях деформации (5-10 %) начинает формироваться ячеистая структура. Дислокации так перераспределяются в объеме зерна, что их сплетения образуют размытые стенки (границы), окружающие области, внутри которых плотность дислокаций заметно меньше, чем в стенках (рис.4).

Рис. 4. Ячеистая структура бронзы (0,38 % Cr, 0,07 % Zr) после растяжения на 5 %. (х12 000)

Средний размер таких ячеек составляет примерно 0,5-2 мкм. Между собой ячейки разориентированы на 1-2⁰. С увеличением степени деформации размер ячеек мало меняется, а плотность дислокаций в объемных границах возрастает. В сплавах с очень высокой энергией дефектов упаковки ячеистая структура не возникает, т.к. значительно затруднено поперечное скольжение. В таких материалах растянутые дислокации образуют плоские скопления в своих плоскостях скольжения.

С увеличением степени холодной пластической деформации возрастают плотность дислокаций и концентрация вакансий. До 10% работы, затраченной на холодную деформацию, поглощается металлом в виде энергии дефектов и энергии упругих деформаций, а основная часть работы рассеивается в виде теплоты.

В зависимости от способа деформации форма равноосных зерен значительно меняется. Зерна становятся сплющенными или вытянутыми, что хорошо видно в оптический микроскоп. При значительной деформации (80- 90%) образуется волокнистая текстура, где границы зерен различаются с трудом.

При деформировании металла возникает наклеп, под которым понимают изменения дислокационной структуры и связанных с ними изменения свойств. При наклепе возрастают показатели сопротивления деформированию (временное сопротивление у_в, предел текучести у_0.2 и твердость НВ, НRВ), а показатели пластичности (относительное удлинение д и сужение ш) падают (рис. 5).

Рис.5. Изменение механических свойств дуралюмина Д1 от степени обжатия при холодной прокатке

Небольшие деформации обычно сильнее влияют на предел текучести, чем на временное сопротивление.

Увеличение числа дефектов решетки при холодной пластической деформации вызывает рост электросопротивления чистых металлов на 2...6 %, так как электроны проводимости рассеиваются точечными дефектами и дислокациями.

3. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Состояние наклепанного металла, имеющего избыточную энергию, термодинамически неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации, приводящие к возвращению всех свойств металла к свойствам до деформации. После малой пластической деформации, ниже критической степени (от 2 до 8 % для разных металлов), процесс рекристаллизации не протекает, т.к. не накапливается в металле достаточного избытка энергии для этого. Тогда протекают только процессы возврата, при которых и выделяется вся избыточная свободная энергия. Размер зерна в металлах в таких случаях не изменяется.

Возвратом называют совокупность самопроизвольных процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристаллах при температурах ниже начала рекристаллизации.

Деформированный металл сохраняется при возврате почти неизменным по микроструктуре. Различают две стадии возврата - отдых и полигонизацию. Наиболее важным структурным изменением при отдыхе является уменьшение избыточной концентрации вакансий, возникших при деформации. Происходит сток вакансий к границам зерен. Кроме того могут взаимно уничтожаться близко расположенные дислокации разных знаков. Отдых наблюдается при температурах ниже 0,2 Т_пК.

Полигонизация протекает при температурах (0,25-0,3)Т_пК и состоит в постепенном формировании субзерен (полигонов) с малоугловыми границами в кристаллитах (зернах) деформированного металла. Механизм полигонизации зависит от степени холодной пластической деформации и дислокационной структуры деформированного металла. После небольших деформаций, когда еще не возникает ячеистая структура, нагрев металла приводит в движение дислокации под действием внутренних напряжений, дислокации разного знака притягиваются в своих плоскостях скольжения и взаимно уничтожаются. Избыточные дислокации одинакового знака выстраиваются одна над другой, образуя стенки дислокаций (рис.6).

Рис.6. Схема полигонизации: а - хаотичное распределение краевых дислокаций в изогнутом кристалле; б - стенки из дислокаций после полигонизации.

Это энергетически выгодный процесс, который протекает самопроизвольно при термической активации, т.к. требуется не только скольжение дислокаций в своей плоскости, но и переползание на другие уровни. А переползание состоит в достраивании или растворении кромок неполных атомных плоскостей, что обеспечивается медленным диффузионным процессом перемещения вакансий и атомов. Стенки из дислокаций одного знака являются малоугловыми границами разделяющими соседние субзерна с небольшой разориентировкой решеток. Плавно изогнутый вектор решетки превращается в ломаную линию, являющуюся частью периметра многоугольника (полигона). Описанный процесс называется стабилизирующей полигонизацией.

Если при пластической деформации возникла ячеистая структура, то полигонизация при отжиге состоит не в формировании субзерен из хаотично расположенных дислокаций, а в развитии имеющейся ячеистой структуры.

Объемные границы ячеек становятся более узкими, плоскими, в теле ячеек становится меньше дислокаций и ячейки постепенно превращаются в равноосные субзерна. Границы ячеек и субзерен обладают намного более высокой подвижностью, чем большеугловые границы зерен. С увеличением времени и температуры отжига субзерна стремятся укрупниться за счет соседних субзерен. Субзерна могут вырасти до больших размеров (до 10 мкм). И это все в пределах холоднодеформированных (сплющенных или вытянутых) зерен металла. Такая полигонизация называется предрекристаллизационной. Энергия дефектов упаковки сильно влияет на склонность металлов к полигонизации. Чем меньше энергия дефектов упаковки, тем больше ширина растянутых дислокаций и труднее проходят процессы переползания и поперечного скольжения, необходимые для полигонизации. На рис.7 схематично показаны три типовых случая изменения прочностных свойств наклепанного металла от температуры отжига.

Рис.7. Схемы зависимости прочностных свойств наклепанного металла от температуры отжига

До начала рекристаллизации, когда происходит только возврат, наклеп может практически совсем не уменьшаться (кривая 1). Сохранение наклепа при возврате свойственно меди, латуни (сплаву меди с цинком), ниобию, хромо-никелевой нержавеющей стали, имеющих низкую энергию дефектов упаковки. Частичное уменьшение наклепа (кривая 2) наблюдается в железе, никеле. На кривой 3 показан случай, когда при возврате почти полностью снимается наклеп (это еще зависит от продолжительности отжига). Такое поведение у металлов с высокой энергией дефектов упаковки-Мо, W, Al, сплавов Al и Mg.

У некоторых металлов и сплавов при возврате наблюдается упрочнение вместо разупрочнения (рис.7, пунктирная кривая). Такое поведение свойственно большинству медных и никелевых сплавов. Особенно значительно повышаются пределы текучести и упругости. В промышленности это используют для повышения предела упругости пружин и мембран (на 100...170 %). Наиболее общей причиной такого упрочнения является закрепление подвижных дислокаций атомами растворенных примесей.

Рекристаллизация, т.е. образование новых недеформированных зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат. Температура начала рекристаллизации t_р^н не является физической константой, такой как точка плавления. На температуру начала рекристаллизации сильно влияет степень деформации при обработке давлением. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации снижается (рис.8), т.к. возрастает термодинамический стимул рекристаллизации (растут плотность дислокаций и энергия, накопленная при деформации. Наинизшая температура начала рекристаллизации металла, соответствующая деформациям более 60...70 % и времени отжига 1-2 ч. называется порогом рекристаллизации (t_п.р. на рис.8) в отличие от более высоких значений t_р^н. А.А.Бочвар показал, что у металлов обычной технической чистоты после большой степени холодной деформации температура порога рекристаллизации Т_пр=0,4Т_пл, где Т_пл- абсолютная температура плавления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.8. Влияние степени деформации на температуру начала рекристаллизации.

Для чистых металлов эта температура снижается до (0,1-0,2)Т_пл, а для сплавов возрастает до (0,5-0,6)Т_пл.

Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. Такая термическая обработка называется рекристаллизационным отжигом , отжигом первого рода или отжигом без фазовой перекристаллизации.Величина зерна зависит от температуры отжига (рис.9,а), его продолжительности (рис.9,б) и степени предварительной деформации (рис.9,в). Большое влияние оказывают и другие факторы: химический состав, величина исходного зерна (до деформации), наличия нерастворимых примесей и др.

Рис.9. Влияние различных факторов на размер рекристаллизованного зерна

После завершения первичной рекристаллизации в процессе дальнейшего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Этот процесс называют собирательной рекристаллизацией, он объясняется стремлением к уменьшению зернограничной поверхностной энергии за счет уменьшения общей поверхности зерен. Изменение механических свойств наклепанных металлов от температуры отжига выше конца первичной рекристаллизации видно из рис.10.

Рис.10. Влияние температуры отжига на механические свойства деформированного металла; t_р^н, t_р^к, t₁, t₂- температуры начала и конца рекристаллизации, перегрева и пережога.

Прочность и пластичность мало изменяются при собирательной рекристаллизации. Но начиная с определенной температуры t₁ пластичность плавно снижается, т.к. далеко зашедшая собирательная рекристаллизация приводит к образованию чрезмерно крупного зерна. Это явление называется перегревом при рекристаллизационном отжиге. Выше температуры t₂ резко падает и пластичность и прочность из-за пережога- сильного межкристаллитного окисления, а иногда и частичного оплавления примесей по границам зерен.

При собирательной рекристаллизации зерна укрупняются сравнительно равномерно, но при определенной температуре отжига многих металлов и сплавов обнаруживается структура, состоящая из множества мелких зерен и малого числа очень крупных зерен в результате неравномерного роста зерен. Этот процесс называется вторичной рекристаллизацией. Например, в трансформаторной стали толщиной 0,35 мм (сплав Fe c 3% Si) температура вторичной рекристаллизации 925^оС. Отжиг при этой температуре за время 1 час увеличивает размер отдельных зерен до 1...10 мм, а основная масса зерен сохраняет размер около 0,02 мм. При более низких температурах,а также выше 1200^оС возможна только медленная собирательная рекристаллизация. В интервале температур 925...1200^оС собирательная и вторичная рекристаллизация становятся конкурирующими, но размер крупных зерен уменьшается. Центром вторичной рекристаллизации становится лишь одно зерно из 10⁵...10⁶ зерен матрицы. Вторичная рекристаллизация снижает механические свойства металлов.

При обработке давлением различают холодную и горячую деформации. Холодное деформирование проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации, при этом металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячая деформация выполняется при температурах, значительно превышающих температуры начала статической рекристаллизации. Процессы полигонизации и рекристаллизации, происходящие в период горячей деформации, называют динамическими. При таких температурах обеспечиваются высокие скорости динамических рекристаллизационных процессов и полученный при деформировании наклеп быстро устраняется, металл приобретает первоначальную пластичность, характерную для выбранной толщины. Например, для железа и малоуглеродистой стали температура статической рекристаллизации 450^оС, температура рекристаллизационного отжига 600...700^оС, а горячую обработку давлением проводят при температурах 1200...800^оС. Такие легкоплавкие металлы как олово и свинец не требуют нагрева для горячей деформации, т.к. у них низкие температуры статической рекристаллизации (- 71^оС и - 33^оС) соответственно. Размещено на Allbest.ru