Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы)

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки и другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Первое не требует высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300-400 °С) снимает искажения решетки (как результат многочисленных субмикропроцессов — уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения, так называемая аннигиляция, слияния блоков, уменьшение внутренних напряжений, уменьшение количества вакансий и т. д.). Линии на рентгенограммах деформированного металла, размытые вследствие искажений решетки и нарушений ее правильности, вновь становятся четкими. Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность несколько понижаются (на 20-30 % по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.

Рис. 68. Образование дислокационной сетки (полигонизация)

Наряду с этим, т. е. с отдыхом (возвратом), может происходить еще так называемый процесс полигонизации, заключающийся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя стенку (см. рис. 68, а) и создавая ячеистую структуру (рис. 68, б), которая может быть устойчивой и может затруднить процессы, развивающиеся при более высокой температуре.

Рекристаллизация, т. е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Сопоставление температур рекристаллизации различных металлов показывает, что между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления существует простая зависимость Грек ( — абсолютная температура рекристаллизации; — абсолютная температура плавления; а — коэффициент, зависящий от чистоты металла). Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов обычной технической чистоты Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает Наоборот, очень

чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: и даже

После того, как рекристаллизация (I стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними, т. е. которые он имел до деформации.

Схема процессов, происходящих при нагреве наклепанного металла, представлена на рис. 69.

Рис. 69. Схема изменения строения иагартованного металла при нагреве

Пользуясь коэффициентом а, легко подсчитать температуру рекристаллизации металлов обычной чистоты: для железа она будет около 450 °С, для меди около 270 °С; для алюминия около 50 °С. Для таких легкоплавких металлов, как цинк, олово, свинец, температура рекристаллизации ниже комнатной.

Кроме чистоты металла, минимальная температура рекристаллизации зависит также и от степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, чем более искажена структура, тем менее она устойчива, тем больше ее стремление принять более устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т. п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом (подробнее см. гл. XI).

Пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации, хотя и приводит к упрочнению, но это упрочнение устраняется протекающим при этих температурах процессом рекристаллизации. Следует отметить, что рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после ее окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже доли секунд.

Следовательно, при пластическом деформировании выше температуры рекристаллизации упрочнение и наклеп металла, если и произойдут, то будут немедленно сниматься динамической рекристаллизацией. Такая обработка, при которой нет упрочнения (наклепа), называется горячей обработкой давлением. Обработка давлением (пластическая деформация) ниже температуры рекристаллизации вызывает наклеп и называется холодной обработкой.

Следовательно, пластическое деформирование железа при 600 °С следует рассматривать как горячую обработку, а при 400 °С - как холодную. Для свинца и олова пластическое деформирование даже при комнатной температуре является по существу горячей обработкой, так как температура 20 °С выше температурырекристаллизации этих металлов. Эти металлы в практике называют ненаклепываемыми, хотя при деформировании у них образуются линии сдвига (что показывает, например, характерный хруст оловянной пластинки при ее изгибании).

При горячей обработке металла, чтобы увеличить его пластичность, а также чтобы устранить возможность наклепа, применяют температуры, значительно превосходящие минимальную температуру рекристаллизации.

В других случаях наоборот, приближают температуру деформации к температуре рекристаллизации. В этом случае уменьшается деструкция и склонность и локализованной деформации (см. выше стр. 64 четвертый вид сверхпластичности).

Для отжига наклепанного материала в производственных условиях применяют более высокие температуры, чем минимальная температура рекристаллизации, для обеспечения большей скорости рекристаллизационных процессов. В табл. 11 приведены теоретические температуры рекристаллизации, температуры, при которых в производственных условиях осуществляют рекристаллизационный отжиг, а также температуры горячей обработки давлением.

Таблица 11. (см. скан) Температура рекристаллизации и горячей обработки металлов давлением

В соответствии с описанными выше процессами изменения строения наклепанного металла при его нагреве следует ожидать и соответствующего изменения свойств. По мере повышения температуры твердость сначала слегка снижается вследствие явлений возврата. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твердость резко падает и достигает исходного значения (значения твердости до наклепа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации (рис. 70). Аналогично изменению твердости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести). На рис. 70 показаны также изменения пластичности (6). Низкая температура нагрева и происходящий при ней возврат несколько повышают пластичность, но лишь рекристаллизация восстанавливает исходную (до наклепа) пластичность металла.

Изменения микроструктуры при нагреве наклепанного металла показаны на рис. 71.

Исходная структура нагартованной латуни показана на рис. 71, а. Видны вытянутые зерна с большим числом сдвигов. Невысокий нагрев, вызывающий небольшое снижение твердости вследствие возврата, существенно не изменяет микроструктуры (рис. 71, б). Нагрев до 350 °С приводит зерна металла почти к равноосному состоянию вследствие рекристаллизации. Эта температура, очевидно, лежит несколько выше порога рекристаллизации (но незначительно), так как размер зерен невелик. Более высокая температура (550-800 °С) вызывает рост зерна.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

1) первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

2) вторичная, или собирательная рекристаллизация, заключающаяся в росте зерен и протекающая при более высокой температуре.

Рис. 70. Изменение механических свойств наклепанного металла в зависимости от температуры отжига

Серия микроструктур, приведенная на рис. 72, показывает типичный процесс роста зерен (собирательнаярекристаллизация).

На рис. 72, а представлена структура сплава (твердый раствор хрома в никеле) после окончания первичной рекристаллизации. Видны мелкие равноосные зерна. Повышение температуры приводит к росту отдельных зерен за счет мелких; получается структура, состоящая из отдельных крупных зерен, окруженных мелкими (рис. 72, б). Дальнейшее повышение температуры еще увеличивает число крупных зерен (рис. 72, а), пока, наконец, мелкие зерна не окажутся «поглощенными» крупными, и вся структура тогда будет состоять из крупных зерен (рис. 72, г).

Процессы первичной и вторичной рекристаллизации имеют ряд особенностей.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходили внутризеренные.процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из таких зерен, т. е. очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент

наступает процесс вторичной рекристаллизации, заключающейся, как говорилось раньше, в росте зерен.

Рост кристаллов — процесс самопроизвольный, определяемый стремлением системы к уменьшению запаса внутренней энергии.

Если принять, что в единице поверхности заключена поверхностная энергия определенной величины, то укрупнение зерна, т. е. получение из нескольких мелких зерен меньшего числа крупных, приводит к уменьшению суммарной поверхности зерна («внутренней поверхности») и, следовательно, к уменьшению запаса свободной энергии в системе.

Рис. 71. Изменение микроструктуры наклепанной латуни в зависимости от температуры нагрева, °С, X 100: а - без нагрева; б - 300; в - 360; г - 450; д - 550; е - 650; ж - 750; з - 800

Важно знать, по какому механизму растет зерно, так как от размера зерна зависят многие свойства, а зная механизм роста зерна, можно регулировать его размеры термической обработкой.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

1) зародышевый — состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, и их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше,

чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный — состоящий в перемещении границы зерна и в увеличении его размеров (рис. 73);

Рис. 72. Процесс роста зерна при рекристаллизации (Х100)

Так как крупное зерно термодинамически устойчивее мелкого (отношение 5/V у него меньше, где S — поверхность, объем), то растут крупные зерна за счет «поедания» мелких зерен;

3) слияние зерен — состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное (рис. 74).

Первый «зародышевый» процесс, по-видимому, реализуется весьма редко (образование новых зерен из рекристаллизованных энергетически маловероятно). Миграция границ зерен является диффузионным процессом, скорость его определяется

скоростью самодиффузии, и поэтому этот процесс имеет преимущественное значение при высокой температуре, значительно выше температуры рекристаллизации.

Слияние зерен не требует для своего осуществления значительных диффузионных процессов, и, главное, процесс слияния может происходить одновременно по всем (или многим) поверхностям межзеренного раздела.

Рис. 73. Миграция границ зерна (стрелками показано скачкообразное движение границы зерна): а — оловянистая бронза, Х225; б — тантал, X 100

Межзеренные границы являются, как об этом уже говорилось, сосредоточением различных дефектов, дислокаций в первую очередь. Аннигиляция этих дефектов по сути дела есть уничтожение границ зерен. Следовательно, процесс роста зерен путем слияния происходит при более низкой температуре, чем рост зерен путем миграции и, как показывает практика, приводит к образованию очень крупных зерен.

Для незавершенного процесса слияния характерно наличие структуры, состоящей из небольшого числа крупных зерен и большого

числа мелких (рис. 74, г). Такая разнозернистая структура не обладает стабильными и высокими свойствами.

Из сказанного следует заключить, что процесс слияния вредно отражается на структуре и, следовательно, и свойствах, так как может привести к крупнозернистости (при завершении процесса) или к разнозернистости (при незавершении процесса), и тогда следует принять меры, предупреждающие это.

Рис. 74. Процесс слияния зерен: а — начальная стадия; б, в - постепенное растворение границ; г — конечная стадия

Какой из перечисленных двух основных механизмов роста зерна реализуется, зависит от температуры: при более низкой температуре рост зерна происходит за счет слияния, при более высокой — за счет миграции границ, а также и от исходного структурного состояния, в частности от степени, предшествующей пластической деформации.

При малой степени деформации насыщенность дефектами незначительна и поэтому образование новых, свободных от дефектов, рекристаллизованных зерен не дает значительного эффекта в смысле выигрыша в свободной энергии. Поэтому при малой степени деформации первичная рекристаллизация осуществляется с трудом

(при высокой температуре), и роста зерна при вторичной рекристаллизации почти не происходит.

При некоторой сравнительно небольшой степени пластической деформации создается сравнительно небольшая плотность дислокаций в основном по границам зерен, обеспечивающая преимущественное развитие процесса роста зерна по механизму слияния, что при завершенности процесса приводит кочень сильному росту зерна (рис. 75).

Рис. 75. Размер зерна после рекристаллизации в зависимости от степени предшествующей деформации (схема)

Степень деформации, обусловливающая преимущественное развитие процесса слияния и приводящая после нагрева к гигантскому росту зерна, называется критической степенью деформации. Она невелика и находится в пределах 3- 8 % (обычно). Если после деформации осуществляется рекрисгалл изационный

Рис. 76. Макроструктура алюминия после рекристаллизации в зависимости от степени деформации. % (указана у структур)

нагрев, то критической степени деформации следует избегать.

При сверхкритической деформации плотность дефектов такова, что механизм слияния затруднен. Рост зерна происходит в результате миграции границ, что при прочих равных условиях дает более мелкое зерно, чем то, какое получается при процессе слияния.

На рис. 76 представлена структура деформированного алюминия. Деформацию создавали растяжением, а затем металл рекристаллизовался при 350 °С в течение 30 мин. При отсутствии деформации (макроструктура сфотографирована без увеличения) структура настолько мелкозерниста, что отдельные зерна неразличимы без увеличения.

Рис. 77. Диаграмма рекристаллизации жаропрочного никелевого сплава а — скорость нагрева 7 °С/мин; б — температура нагрева 1080 °С

Наиболее крупное зерно получается при минимальной деформации (остаточное удлинение 3 %), которая, очевидно, близка к критической деформации. По мере увеличения степени деформации размер зерна в рекристаллизованном металле уменьшается. Следовательно, средний размер зерна после рекристаллизации зависит от температуры рекристаллизации и степени деформации. Зависимость размера зерна рекристаллизованного металла от обоих этих факторов характеризуется так называемыми полными диаграммамирекристаллизации.

Для никелевого сплава такая диаграмма приведена на рис. 77, а, из которого видно, что размер зерна уменьшается по мере увеличения степени деформации и понижения температуры при рекристаллизационном отжиге.

Рост зерна наблюдается при нагреве выше температуры рекристаллизации, в данном случае выше 950 °С. Малые степени деформации приводят к интенсивному росту зерна, и чем выше температура нагрева, тем больше рост зерна. Однако такой интенсивный рост зерна в слабодеформированном металле наблюдается лишь при быстром нагреве. Если нагрев проводить медленно (рис. 77, 6), то процесс полигонизации успевает произойти и рост зерна, состоящий в объединении (слиянии) многих зерен в одно крупное, не происходит. Протекает обычная рекристаллизация, т. е. возникновение центров и рост из них кристаллов, что не дает зерен-гигантов. Медленный нагрев может быть заменен ступенчатым, причем выдержка должна быть на 30-50 °С ниже температуры рекристаллизации.

Поиск по сайту: