Наклеп  и рекристаллизация 

Диаграмма растяжения, построенная  в координатах  напряжение-деформация

 

Если  нагрузка превысила предел текучести (напряжения составили S₁), то после снятия нагрузки останется деформация, равная  a. При повторном нагружении того же образца для того, чтобы вызвать остаточную деформацию, потребуется напряжение не менее  S₁. Таким образом предел текучести будет иметь величину   S₁, то есть прочность металла повысилась. 

Упрочнение  металла под действием пластической деформации называется наклепом (нагартовкой). 

1. Изменения структуры металла при пластической деформации.

 

Пластическая  деформация осуществляется путем перемещения  дислокаций.

Пара  движущихся дислокаций  порождает  сотни новых, в результате чего возрастает прочность.

Диаграмма Одинга. Зависимость  прочности металла  от плотности дислокаций.

s, МПа

          d, %

500 

             

400      40 

300      30

200      20

100      10 
 
 
 
 

Изменение механических свойств  меди и алюминия в  зависимости от степени  пластической деформации 

Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен – текстурой.

Беспорядочно  ориентированные кристаллы под  действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль  направления деформации. 

Кристаллографические  направления в  кристалле ГЦК 

Очевидно, что наибольшей прочностью кристалл будет обладать в  направлении [110], где расстояние между атомами  минимально. 

В результате зерно превращается из равноосного в неравноосное, сплющивается в направлении деформации.

Вследствие  деформации зерно не измельчается, а деформируется и приобретает  определенную кристаллографическую ориентировку.

Многочисленные  сдвиги частей кристалла относительно друг друга обусловливают наличие значительных внутренних напряжений. 

 
 
 

Не деформированный   меньшая степень          большая степень деформации 

Расположение  зерен в текстурированном металле при различной  степени деформации 

С увеличением деформации степень текстурированности возрастает и при значительной деформации достигает 100%. 
 

2. Влияние нагрева  на структуру и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы).

 

Пластическая  деформация переводит металл в неравновесное (нестабильное) состояние, обладающее высоким уровнем свободной энегии.

С точки  зрения термодинамики должны самопроизвольно  происходить процессы, направленные к возврату структуры к состоянию  с меньшей свободной энергией, предшествовавшему пластической деформации. 

Незначительный  нагрев приводит к протеканию процессов, требующих минимальных диффузионных перемещений. Происходит уменьшение внутренних напряжений, снижение плотности дислокаций за счет их аннигиляции (взаимного уничтожения) и других.

Снятие искажений решетки в результате нагрева деформированного металла называется возвратом (отдыхом). 

Собственно  рекристаллизация, то есть образование новых зерен начинается и происходит с ощутимой скоростью при более высоких температурах.

Процесс рекристаллизации можно разделить на 2 этапа:

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

это превращение происходит за счет образования новых равноосных очень мелких зерен, которые в отличие от зерен, сохранившихся после деформации и все еще имеющих несмотря на произошедший возврат значительное количество дефектов, отличаются значительно меньшей плотностью дефектов кристаллического строения.

В результате завершившегося процесса первичной  рекристаллизации получается структура, подобная той, которая была до пластической деформации.

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

термодинамической причиной дальнейшего увеличения размера  зерна при вторичной рекристаллизации является стремление системы к минимуму свободной энергии и, соответственно, меньшей поверхности границ зерен, что характерно для крупнозернистого материала.

Механизмы такого роста мы рассматривать не будем. 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема изменения строения наклепанного металла  при нагреве 

3. Температура  рекристаллизации. 

Итак, рекристаллизация начинается при температуре, достаточной для активного протекания диффузионных процессов.

Минимальную температуру рекристаллизации называют порогом рекристаллизации.

Порог рекристаллизации связан с температурой плавления металла соотношением 

Т_рек = а Т_пл , 

 Где Т_рек  и Т_пл – соответственно абсолютные температуры плавления и рекристаллизации. 

Коэффициент а зависит от чистоты металла и для металлов техническо чистоты составляет 0,3 –0,4. Для сплавов он выше и может доходить до 0,8.

Коэффициент зависит также и от степени  деформации металла, потому что высокая степень деформации вызывает значительную плотность дефектов строения и, следовательно, очень высокую нестабильность структуры. Тогда рекристаллизация будет начинаться при более низкой температуре, и коэффициент меньше. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Изменение  механических свойств наклепанного металла в зависимости от температуры отжига. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Изменение механических свойств  наклепанного железа в зависимости  от температуры отжига.

При возврате имеет место незначительное снижение прочностных и повышение пластических характеристик, затем при температуре несколько выше порога рекристаллизации достаточно резкое изменение и затем, после завершения первичной рекристаллизации, свойства стабильны. 

5. Практическое  значение температуры рекристаллизации. 

Для восстановления структуры и свойств  деформированного металла (например для  продолжения обработки давлением  – холодная прокатка, волочение  и др.) необходимо нагреть металл выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Если  производить пластическую обработку  при температуре выше порога рекристаллизации, она будет приводить к наклепу, но это упрочнение устраняется рекристаллизацией, происходящей при температуре обработки.

Принято считать обработку при температурах выше температуры реклисталлизации горячей обработкой. Соответственно, деформирование при температурах, когда наклеп не сопровождается рекристаллизацией, холодной обработкой давлением.

Для железа температура рекристаллизации составляет примерно 350  С, для меди 270  С, для алюминия 50  С, а для свинца или олова вообще ниже 0. Поэтому для легкоплавких металлов любая обработка будет горячей. 

Рекристаллизационные  процессы значительно ускоряются с  повышением температуры. И температура  реклисталлизационного ожига выбирается выше порога рекристаллизации. 
 

 

Таблица. Температура рекристаллизации, рекристаллизационного  отжига и горячей  обработки металлов давлением. 

Рекристаллизация  в процессе горячей обработки  давлением протекает не одновременно с наклепом, а следует непосредственно  за ним. Поэтому необходимо, чтобы рекристаллизация происходила очень быстро.  

6. Критическая  степень деформации. 

При малых степенях деформации степень  искажений структуры незначительна  и термодинамический стимул к  образованию новых бездефектных равноосных зерен незначителен, и первичная рекристаллизация протекает с трудом, а роста зерна при вторичной рекристаллизации почти не происходит.

Так же и при высокой степени деформации и большой плотности дефектов, слияние зерен, приводящее к существенному  росту зерна при вторичной рекристаллизации затруднено.

Существует  диапазон степени деформации (обычно 3-8%), при которой плотность дислокаций относительно небольшая и они  располагаются вблизи границ зерен.

Такая структура предрасполагает к  очень сильному росту зерна в  процессе вторичной (собирательной) рекристаллизации. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

Рамер зерна после рекристаллизации в зависимости  от степени предшествовавшей пластической деформации. 

Степень деформации, обусловливающая развитие механизма вторичной рекристаллизации, приводящей к катастрофическому росту зерна, называется критической степенью деформации.