Процессы, протекающие при нагреве

При нагревании деформируемого металла протекают разупрочняющие процессы, устраняющие следы наклепа. Первый из них — возврат — протекает при всех температурах, но при низких температурах он протекает в форме уменьшения концентрации точечных дефектов, перераспределения дислокаций, упорядочения ориентации зерен. Эта стадия возврата называется отдыхом, при нем не образуется новых границ зерен. При отдыхе также за счет диффузионных процессов атомы металла стремятся возвратиться в равновесное состояние, при этом снижаются остаточные напряжения, залечиваются дефекты, образовавшиеся при деформации. С повышением температуры активизируются диффузионные процессы, зависящие от Т⁴ (от температуры в четвертой степени), поэтому скорость возврата резко возрастает. При температурах выше (0,25—0,30) Т_ип возврат становится существенным (Т_пл — температура плавления в Кельвинах). При таких температурах образуются и начинают перемещаться новые малоугловые границы зерен. Эта стадия возврата называется полигонизацией. Скорость полигонизации может меняться в широких пределах. Она протекает в слабо деформированном металле с низкой энергией дефектов упаковки атомов. При полигонизации дислокации выстраиваются в дислокационные полосы, представляющие собой границы, отделяющие свободные от дислокаций области кристаллита. Образуются так называемые субзерна, которые в процессе миграции границ могут приобретать значительные размеры. Полигональные структуры металла обладают высокими прочностными и пластическими характеристиками, поэтому достижение их часто является целью термообработки металла. При этом деформационное упрочнение существенно снимается, хотя и не окончательно. Кроме того, за счет снижения остаточных напряжений в металле значительно улучшаются эксплуатационные характеристики, повышается его коррозионная стойкость, пластичность и резко снижается растрескивание металла при последующей холодной деформации — штамповке, высадке, прокатке и пр.

Следует отметить, что при высоких степенях предварительной холодной деформации полигонизация не наблюдается. Возвратные процессы протекают во времени, поэтому чем меньше скорость деформации, тем большее влияние они оказывают на механические свойства металла.

При температурах около 0,4 Т_ш наряду с возвратом начинается гораздо более мощный процесс разупрочнения — рекристаллизация. Оба процесса протекают одновременно и существенно влияют на кинетику друг друга. Первичная стадия рекристаллизации характеризуется появлением зародышей и ростом вокруг них новых зерен за счет энергии старых деформированных зерен. Новые зерна не наклепаны и равноосны. Рекристаллизация полностью снимает наклеп деформированного металла. При дальнейшем нагреве металла первичные зерна начинают расти за счет миграции своих границ. После того как весь объем металла заполняется новыми зернами, происходит миграция новых границ и поглощение одних зерен другими. Эта стадия называется собирательной рекристаллизацией. На этой стадии на многих материалах происходит вторичная рекристаллизация, когда отдельные вновь появившиеся зерна выступают в роли новых центров рекристаллизации, и эти зерна быстро растут, резко опережая рост соседей. Металл имеет разнозернистую структуру.

При высоких температурах скорость роста зерен быстро возрастает, поэтому такую собирательную рекристаллизацию называют также динамической.

Рост зерен протекает во времени, и чем выше температура и меньше скорость предварительной деформации, тем полнее протекает рекристаллизация. Первоначально количество новых зерен и их величина зависят от количества зародышей, т. е. от микрочастиц, обладающих достаточной энергией для зарождения зерна. С увеличением скорости нагрева металла растет количество зародышей, и в конце первичной рекристаллизации зерно будет некрупным. Но в процессе собирательной рекристаллизации с увеличением скорости нагрева скорость роста зерен увеличивается.

При пластической деформации металла выше температур начала рекристаллизации протекают одновременно процессы упрочнения и разупрочнения металла. Наклеп возникает мгновенно и определяется степенью деформации. Рекристаллизация (и возврат) протекает во времени и зависит от температуры и скорости деформации. Соотношение между процессами упрочнения и разупрочнения определяется температурой, скоростью и степенью деформации, но решающим при этом является время, отпущенное для реализации разупроч- няющих процессов.

В зависимости от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения в металле в теории обработки металлов различают следующие виды пластической деформации:

горячая деформация, когда возникающий при деформации наклеп полностью снимается процессами рекристаллизации;

холодная деформация, при которой полностью господствует наклеп, процессы возврата не очень влияют на механические свойства;

теплая деформация, когда процессы возврата достаточно развиты, но рекристаллизация еще не началась; для некоторых металлов повышение пластичности при теплой деформации достаточно, чтобы построить конкретную технологию обработки давлением. Например, прокатка молибдена при температурах порядка 1200 °С, которые для этого металла находятся в интервале теплой деформации, позволяет полностью устранить трешинообразование, а горячая прокатка при температурах 1500—1600 °С становится дорогой и нецелесообразной.

С.И. Губкин определил не три, а четыре вида пластической деформации: горячая, холодная, неполная горячая и неполная холодная. Определение горячей и холодной деформации полностью совпадает с приведенным выше, а неполная холодная деформация — это теплая деформация в нашем определении. Неполная горячая деформация, выделенная С.И. Губкиным в самостоятельный вид деформации, характеризуется тем, что процессы рекристаллизации уже протекают, но недостаточно интенсивно, чтобы полностью устранить наклеп. Такой вид деформации возникает при сравнительно низких температурах деформации, при пластической обработке сплавов с низкой скоростью рекристаллизации и при высоких скоростях деформации. В структуре металла, прошедшего такую обработку, наряду с равноосными рекристаллизованными имеются вытянутые нерекристаллизованные зерна. Взаимодействие зерен приводит к возникновению значительных остаточных напряжений в металле и к снижению его пластичности, например, при штамповке в холодном состоянии.

Неполная горячая деформация с точки зрения структуры металла неэффективна. Она применяется только для снижения силы деформации и получения определенной мелкозернистой структуры сплава. После такой деформации следует термическая обработка изделия. Для алюминиевых, магниевых и многих других сплавов с многофазной метастабильной структурой неполная горячая деформация даже вредна, гак как обеспечивает низкие пластические свойства готового изделия. Такие сплавы деформируют при низких скоростях деформации и высоких температурах, добиваясь полного протекания процессов рекристаллизации, т. е. в условиях горячей деформации.

Таким образом, предел текучести металла как основная прочностная характеристика металла в момент пластической деформации определяется степенью деформации, скоростью деформации и температурой. При холодной деформации он должен определяться только степенью деформации (см. рис. 1.9). При горячей деформации, когда наклеп полностью снимается, предел текучести должен зависеть от скорости деформации и температуры (рис. 1.10) и не зависеть от степени деформации.

Отметим еще раз, что в теории пластичности принято считать, что предел текучести металла не зависит от схемы напряженного состояния металла и одинаков при растяжении, прокатке, волочении и других видах обработки. В общем случае эго не так. Пределы текучести для каждого процесса различны, и для большинства сплавов схема напряженного состояния влияет на прочностные характеристики, так как поли кристаллическое строение, сложный фазовый состав, наличие включений и пр. вносят существенный вклад в общую картину деформации и уменьшают роль скольжения дислокаций внутри зерна. Очевидно, не равны пределы текучести при прокатке и растяжении, однако диаграммы, приведенные на рис. 1.9 и 1.10 при растяжении образцов на разрывных машинах, используют для расчетов параметров прокатки. Это связано с тем, что предел текучести при прокатке, как и при многих других процессах, определить трудно, а при растяжении — сравнительно легко. Часто истинный предел текучести материала в конкретном технологическом процессе обозначают К, а при растяжении — о₅, подчеркивая их различие. Но в технологических расчетах вынуждены выбирать их по одной и той же диаграмме.

Рис. 1.10. Зависимость предела текучести от температуры и скорости деформации

В реальных сплавах, наряду с процессами упрочнения и разупрочнения, с повышением температуры могут протекать и другие процессы, также влияющие на прочностные и пластические характеристики. Например, в некоторых углеродистых сталях при температурах возврата (при 200-300 °С) в плоскостях скольжения выпадают мелкодисперсные частицы, которые затрудняют движение дислокаций, вызывая снижение пластичности и повышение прочностных характеристик. Эго явление называется деформационным старением металла. Нередко старение используется для повышения прочности стали. Но в процессе деформации сплава при температурах старения снижается пластичность, что может привести к растрескиванию металла.

Размер зерна после рекристаллизации также существенно влияет на свойства металла. Крупные зерна нежелательны, так как при этом снижаются пластические свойства металла. В процессе деформации это приводит к появлению трещин. На крупнозернистом металле особенно сильно снижается пластичность при ударном нагружении — ударная вязкость металла.

Рис. 1.11. Диаграмма рекристаллизации

Крупные зерна могут возникнугь, например, при длительных выдержках металла при высоких температурах перед деформацией. Длительные выдержки вредны также потому, что, помимо укрупнения зерна, сопровождаются увеличением слоя окалины на поверхности металла, обезуглероживанием поверхности, иногда появлением поверхностных трещин, не говоря уже о повышенном расходе топлива.

Размеры равноосных зерен, получаемых в результате рекристаллизации при горячей деформации, зависят от температуры, степени и скорости деформации и могут быть представлены в виде диаграммы рекристаллизации (рис. 1.11). Такие диаграммы экспериментально строятся для каждого сплава и используются при назначении режимов его деформации. Видно, что при малых степенях деформации (до 3—7 %) размер зерна не изменяется, но при степенях деформации чуть выше указанных значений — резко возрастает. Такие степени деформации называются критическими. При степенях деформации выше критических размер зерна практически не зависит от е. Деформация металла со степенями деформации, близкими к критическим, нежелательна.

Такое поведение кривой объясняется гем, что при критических степенях деформации еще не закрепощены процессы собирательной рекристаллизации, и отдельные зерна растут беспрепятственно. С увеличением степени деформации эти процессы замедляются, и размер зерна перестает зависеть от степени деформации. При очень высоких степенях деформации зерно вновь растет за счет высокой энергии накопленной деформации, которая расходуется на рост зерен. На рис. 1.11 такие степени деформации не показаны.