Холодная деформация и рекристаллизация

Категория:
Металлы


Холодная деформация и рекристаллизация

Пластическая деформация, вызывающая наклеп, обычно является холодной деформацией. Она осуществляется в процессе прокатки, штамповки, волочения и других видов холодной обработки давлением.

В процессе холодной обработки давлением происходят весьма существенные изменения структуры. В отожженном металле перед деформацией зерна равноосны, затем по мере увеличения обжатия они постепенно вытягиваются, дробятся и превращаются при высоких степенях деформации или в нитевидные волокна или в плоские пленки (фильмы) в зависимости от характера обрабатывающего инструмента. В продольном сечении прокатанного листа или протянутой проволоки волокнистая макроструктура, схематически изображенная на рис. 1, хорошо обнаруживается при макроскопическом изучении.

Для снятия наклепа и возвращения металлу способности деформироваться необходимо провести рекристаллизационный отжиг. В процессе этого отжига наклепанный металл, представляющий собой систему с высоким энергетическим уровнем и являющийся термодинамически неустойчивым, будет переходить в стабильное состояние. Этому будет способствовать повышенная температура и достаточная продолжительность отжига — факторы, эффективно обеспечивающие повышенную подвижность атомов. При этом в металле произойдет рекристаллизация, или процесс зарождения и роста новых зерен, в результате которого волокнистая структура заменяется структурой с равноосными зернами, прочность и твердость понижаются, а пластичность повышается.

Рис. 1. Схема структуры металла, подвергнутого обработке давлением: а — волокнистая после волочения проволоки или прутка; б — фильмовая после прокатки листа

Схема процесса рекристаллизации и графики изменения свойств металла представлены на рис. 2. При низкой температуре происходит так называемый возврат, или отдых, в результате которого частично снимаются искажения кристаллической решетки. Однако видимых изменений структуры при этом не происходит.

При температуре начала рекристаллизации рост новых мелких равноосных зерен только начинается.

С практической точки зрения эта температура является весьма важной. При достижении ее в металле происходят процессы, возвращающие ему пластичность и способность к дальнейшей деформации. Этот процесс, протекающий при указанной температуре и вызывающий полное превращение волокнистой структуры в мелкозернистую, называется рекристаллизацией.

Рис. 2. Схема процесса рекристаллизации и графики изменения свойств металла

Нагрев до более высоких температур сопровождается процессом объединения мелких зерен в более крупные и называется собирательной рекристаллизацией. В результате этого процесса получается металл с крупнозернистой структурой, имеющей, как правило, худшие механические свойства по сравнению с мелкозернистым металлом.

Величина зерна, получаемая при рекристаллизации, зависит не только от температуры этого процесса, но также и от степени деформации при наклепе. Для получения удовлетворительной структуры после рекристаллизационного отжига деформацию металла следует ограничивать 30—40%. При меньших, так называемых критических степенях деформации, составляющих для большинства металлов величину от 3 до 10%, а в некоторых случаях (алюминий, медь) и при очень больших, равных 90— 98%, в процессе отжига деформированного металла происходит значительное укрупнение зерна.

Рис. 3. Диаграмма рекристаллизации алюминия

На практике нередко встречаются случаи, когда после обработки давлением, например объемной штамповки, и соответствующей термической обработки одна и та же деталь имеет участки с различной величиной зерна. Такое явление получило название разнозернистости. Оно наблюдается, в частности, на штампуемых лопатках газовых турбин и объясняется неодинаковой деформацией различных участков детали, получаемой при штамповке.

Связь величины зерна со степенью деформации и температурой рекристаллизации представляется обычно в виде диаграмм рекристаллизации, вычерчиваемых в пространственной системе координат. Диаграмма рекристаллизации, представленная на рис. 3, наглядно показывает вредное влияние в смысле образования чрезмерно крупного зерна как малых (критических), так и больших степеней деформации.

Влияние степени деформации на величину зерна рекристал-лизованного металла объясняется обычно с позиции изменения при деформации пленки межкристаллитного вещества. В обычном литом или горячедеформированном металле, приведенном в равновесное состояние медленным охлаждением после нагрева, кристаллиты отделены друг от друга прослойками так называемого межкристаллитного вещества. Это вещество состоит из различных примесей, загрязняющих металл. Располагаясь по границам зерен, оно мешает процессу рекристаллизации и росту зерна в равновесном металле.

При малых (критических) степенях деформации вследствие сдвигов в зернах пленка межкристаллитного вещества местами разрушается. При этом решетки соседних зерен входят в непосредственный контакт и образуют «свежие стыки», служащие при последующем нагреве центрами рекристаллизации. Вследствие этого процесс рекристаллизации становится возможным, а поскольку число стыков, т. е. центров рекристаллизации, при малых деформациях является весьма незначительным, то зерна вырастают до очень большой величины.

При очень больших степенях деформации, когда металл приобретает текстуру, рекристаллизация с образованием крупных зерен облегчается благодаря одинаковой ориентации кристаллической решетки во всех деформированных обломках зерен, вследствие чего и в этом случае получается крупнозернистая структура металла.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум