Упрочнение пластическим деформированием. Наклеп и рекристаллизация

Деформацией называется изменение размеров и формы тела иод действием приложенных сил. После снятия нагрузки упругая деформация исчезает, а пластическая остается.

При упругой деформации под действием приложенной нагрузки в кристаллической решетке происходит незначительное смещение атомов, это нарушает баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки вследствие действия сил притяжения и отталкивания атомы возвращаются в первоначальное положение, кристаллы (а таким образом, заготовка, деталь или образец) восстанавливают свою форму и размеры.

При приложении напряжений, превышающих предел текучести, деформация становится необратимой, так как при снятии нагрузки устраняется только упругая часть деформации (см. 2.1.1 и рис. 2.2). Оставшаяся часть деформации называется пластической.

Наклеп

В процессе пластической деформации повышается плотность дефектов кристаллического строения, зерна вытягиваются в направлении действующих сил, внутри зерен образуются плотные полосы скольжения дислокаций, которые дробят зерна на отдельные блоки (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Изменение структуры металла при пластической деформации

Изменение структуры сопровождается повышением пределов прочности и текучести, увеличением твердости и снижением пластичности (рис. 3.19).

Такое влияние пластической деформации на свойства получило название наклепа. При большой степени пластической деформации появляется определенная ориентировка зерен (они вытягиваются в направлении проката), которая называется текстурой деформации. Текстура вызывает анизотропию механических и физических свойств металлов и сплавов. Степень деформации (f) определяется как разница между начальной () и конечной () площадями заготовки, отнесенная к первоначальной площади, выраженная в процентах:

Для некоторых сплавов наклеп является единственным методом повышения механических свойств. Это сплавы, не упрочняемые термической обработкой (см. рис. 3.14 и 3.16). К таким материалам относятся, например, коррозионно-стойкие хромоникелевые стали, износостойкая сталь Гадфильда (см. гл. 10).

Рекристаллизация

Состояние металлов и сплавов после наклепа является неравновесным. Поэтому при нагреве их структура и, следовательно, свойства изменяются, поскольку происходит переход к более стабильному состоянию (рис. 3.20).

При невысоких температурах нагрева заметных изменений в структуре и в свойствах деформированного металла практически не наблюдается. Происходит уменьшение плотности дефектов, исчезают упругие деформации кристаллической решетки. Эта стадия называется возвратом. При нагреве ниже температуры возврата структура и свойства металла не изменяются.

При более высоких температурах повышается подвижность атомов, среди деформированных зерен происходит

Рис. 3.19. Влияние степени пластической деформации на механические свойства металла

Рис. 3.20. Влияние нагрева на механические свойства и структуру наклепанного металла:

1 – структура металла после наклепа (зерна деформированные); 2 – структура металла на ранних стадиях рекристаллизации (появились зерна округлой формы); 3 – структура после рекристаллизации (структура, которую имел металл до наклепа); 4 – рост зерна в результате перегрева

зарождение и рост новых зерен с неискаженной решеткой и меньшей плотностью дефектов. Этот процесс сопровождается понижением пределов прочности и текучести, уменьшением твердости и повышением пластичности металлов и сплавов. Это явление получило название рекристаллизации, в результате которой структура и свойства металла становятся такими, какими они были до наклепа. Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации, зависит от температуры плавления и тина металла (сплава):

где – абсолютная температура рекристаллизации, К; а – коэффициент, зависящий от чистоты металла и типа сплава; – абсолютная температура плавления, К.

Значения а: для чистых металлов – 0,2; для технически чистых металлов и смесей – 0,4; для твердых растворов – 0,6...0,8.

Значительное превышение температуры наг рева наклепанного металла выше Трекр приводит к росту вновь образовавшихся зерен, т.е. потере и прочности, и пластичности.

Температура рекристаллизации играет важную роль в процессах обработки металлов давлением. В зависимости от температуры обработка давлением (деформация) подразделяется на холодную и горячую.

Эти виды обработки давлением различаются принципиально:

– холодная обработка проводится ниже температуры рекристаллизации и вызывает наклеп;

– горячая обработка проводится при температурах выше температуры рекристаллизации и не вызывает наклепа. Точнее, деформация при этих температурах также вызывает упрочнение, однако оно снимается за счет рекристаллизации. Таким образом, при горячей пластической деформации (прокатке, ковке и т.д.) процессы упрочнения за счет наклепа непрерывно чередуются с процессами разупрочнения за счет рекристаллизации. В конечном итоге упрочнения нс происходит.

Для разных металлов температуры плавления, следовательно, и температуры, разделяющие обработку на горячую и холодную (т.е. температуры рекристаллизации), сильно различаются. Так, для чистого железа температура рекристаллизации примерно 450 °С, для меди – около 270 °С, алюминия – примерно 5 °С. Для легкоплавких металлов (цинк, олово, свинец) температура рекристаллизации ниже температуры цеха или даже отрицательная.

Покажем это на примере свинца: tил = 327 °С = 600 К; Трекр = 600-0,4 К = 240 К = -33 °С. таким образом, свинец будет упрочняться за счет пластической деформации (наклепываться), только если ее выполнять при отрицательных температурах.

При холодной обработке давлением может возникать необходимость выполнения рекристаллизационного отжига – нагрева и выдержки при температурах, немного превышающих температуру рекристаллизации. Его проводят для снятия наклепа, т.е. повышения пластичности, например, при производстве проволоки, ленты в металлургическом производстве. После волочения или прокатки заготовки до определенного размера пластичность сильно снижается, поэтому дальнейшая холодная обработка невозможна, так как металл будет разрушаться.

Например, в результате наклепа пластичность низкоуглеродистой стали снижается в 5...6 раз (относительное удлинение уменьшается с 30...35% до 5...6%). Для проведения дальнейшей деформации проводят рекристаллизационный отжиг, восстанавливающий исходную пластичность (см. рис. 3.20).