Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой
Пластическая деформация вносит существенные изменения в строение металла. 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 (рис.5).
С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, т.е. все зерна оказываются одинаково ориентированными.
Не следует думать, что в результате деформации зерно измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.
Наклеп и рекристаллизация
Почти все стальные детали паровых котлов и турбин в процессе изготовления подвергаются обработке давлением: прокатке, ковке, штамповке, прессованию и т. д. В результате обработки металла давлением изменяются его форма и свойства.
Обработку металлов давлением принято делить на холодную и горячую.
Рассмотрим сначала изменение структуры и свойств металла при холодной обработке давлением. Примером холодной обработки давлением является гибка труб поверхностей нагрева котла и вальцовка обечаек барабанов из листов.
В процессе холодной пластической деформации происходят сдвиги внутри кристаллов металла по плоскостям наиболее плотной упаковки атомов и поворот отдельных зерен друг относительно друга. Механизм сдвигообразования был рассмотрен ранее. Взаимный поворот зерен возможен при больших пластических деформациях.
Пластическая деформация происходит не одновременно во всем объеме металла. Вначале деформируются благоприятно ориентированные относительно направления деформации зерна наиболее «мягкой» структурной составляющей. У незакаленной углеродистой стали пластическая деформация начинается с ферритных зерен, а затем уже распространяется на перлитные. В процессе пластической деформации включаются все зерна металла, когда остаточная деформация достигает 0,1—0,2%.
Пластическая деформация распространяется неравномерно по всему объему деформированной детали. Если снять внешнюю нагрузку, то между отдельными объемами, продеформированными до различной степени остаточной деформации, возникнут внутренние или остаточные напряжения. Складываясь в процессе эксплуатации с внешними активными нагрузками, они могут привести к преждевременному разрушению детали.
Как показывают опыты, с увеличением степени деформации в холодном состоянии плотность металла незначительно уменьшается. Накопление искажений кристаллической решетки приводит к увеличению среднего расстояния между атомами, и как следствие, — к уменьшению его плотности. При больших степенях пластической деформации плотность может уменьшиться вследствие образования трещин.
В результате пластической деформации происходит дробление блоков внутри зерен и дробление самих зерен на более мелкие. Зерна металла при пластической деформации вытягиваются и ориентируются вдоль направления пластического течения металла осями наибольшей прочности. Металл приобретает различные свойства вдоль и поперек направления пластической деформации. При больших степенях пластической деформации все зерна прак-тически одинаково ориентированы.
Количество дислокаций, вакансий и смещений в единице объема металла в связи с образованием плоскостей скольжения, дроблением блоков и зерен сильно возрастает. Пластическая деформация вызывает упрочнение металла — наклеп или иначе нагартовку. Одновременно с увеличением прочности при наклепе происходит снижение пластичности металла. На рис. 67, а показано, как влияет вытяжка на механические свойства низкоуглеродистой стали. Вытяжка представляет собой отношение длины после обработки давлением к первоначальной длине.
При пластическом деформировании происходит повышение предела прочности и предела текучести, но предел текучести возрастает быстрее. Способность металла воспринимать дальнейшую пластическую деформацию по мере увеличения вытяжки снижается. Твердость непрерывно увеличивается. При очень больших степенях пластической деформации в металле появляются трещины.
Упрочнение сопровождается накоплением остаточной энергии в металле. Пластическая деформация вызывает искажения решетки металла. Остаточная энергия складывается в основном из энергии отклонившихся из положения равновесия атомов. Упрочненное состояние неустойчиво.
Неустойчивая структура пластически деформированного металла стремится освободиться от искажений кристаллической решетки и запаса остаточной энергии и перейти в устойчивое состояние. Но при комнатной температуре подвижность атомов недостаточна для упорядочения строения кристаллической решетки.
При повышении температуры увеличивается подвижность атомов и происходят процессы, возвращающие металл в устойчивое состояние.
Нагрев приводит к снятию значительной части упругих искажений кристаллической решетки. Для этого требуются относительно небольшие перемещения атомов. Дальнейшее повышение температуры увеличивает еще больше подвижность атомов. Приобретают подвижность дислокации. В результате взаимодействия часть дислокаций исчезает, а часть концентрируется на отдельных участках по границам блоков. В пределах блоков металл приобретает совершенное состояние.
Снятие искажений кристаллической решетки при нагреве деформированного металла приводит к частичному возврату прежних механических свойств: прочность и твердость снижаются, а пластичность повышается. Этот процесс называется отдыхом или возвратом. Исходный до пластической деформации уровень прочности и пластичности в результате одного только возврата достигнут быть не может. Вытянутые и раздробленные зерна сохраняются.
Температура, вызывающая возврат чистого железа, составляет 300—400° С. Стали требуют несколько более высокого нагрева.
Дальнейшее повышение температуры вызывает зарождение новых зерен из обломков старых. Деформированная структура целиком заменяется новой. Вследствие этого происходит практически полное восстановление механических свойств деформированного металла (рис. 67, б). Этот процесс называется рекристаллизацией.
Для появления новых равноосных зерен из старых деформированных требуется подготовительный период. Затем новые зерна начинают расти за счет окружающих деформированных кристаллов. Постепенно новые равноосные кристаллы начинают соприкасаться друг с другом. Когда все деформированные кристаллы поглощены, процесс первичной рекристаллизации заканчивается.
Температура, при которой начинается первичная рекристаллизация, зависит от степени пластической деформации. Центры кристаллизации зарождаются в наиболее искаженных местах кристаллической решетки: в местах стыка обломков зерен, по линиям скольжения и т. п. Чем выше степень пластической дефор-мации, тем ниже температура, при которой начинается рекристаллизация.
Самая низкая температура, при которой обнаруживаются новые зерна, называется порогом рекристаллизации или температурой начала рекристаллизации.
А. А. Бочвар показал, что абсолютная температура порога рекристаллизации Трекр для чистых металлов связана простым соотношением с абсолютной температурой плавления ТПЛ.
Сплавы имеют относительно более высокие температуры рекристаллизации, чем чистые металлы. Для технически чистых металлов коэффициент а = 0,3-^0,4, для сплавов а = 0,6-^-0,7. В некоторых случаях температура рекристаллизации сплавов доходит до 0,8 Тпл. Чем выше температура рекристаллизации сплава, тем он прочнее при высоких температурах. В процессе возврата и рекристаллизации устраняются остаточные напряжения, возникшие при пластической деформации. Работоспособность деталей и конструкций вследствие устранения внутренних остаточных напряжений повышается.
Новые зерна, образовавшиеся при первичной рекристаллизации, неустойчивы. Поверхность зерна металла, так же как поверхность жидкости, обладает избыточной поверхностной энергией. При уменьшении площади раздела зерна уменьшается их свободная поверхностная энергия. Чем крупнее зерна, тем меньше общая поверхность раздела между ними. Поэтому зерна деформированного и рекристаллизованного металла начинают поглощать друг друга. Средний размер зерна увеличивается. Этот процесс называется вторичной или собирательной рекристаллизацией.
При вторичной рекристаллизации крупные зерна поглощают мелкие. По мере выравнивания размеров зер§н скорость вторичной рекристаллизации уменьшается и процесс постепенно прекращается.
Вторичная рекристаллизация может привести к образованию очень крупных кристаллов, если ей предшествовала пластическая деформация с критической степенью. Для большинства металлов критическая степень пластической деформации составляет 5— 10%. В углеродистой стали собирательная рекристаллизация происходит при температуре выше 700° С.
Рост зерна не всегда желателен. Сталь с крупным зерном обладает пониженной пластичностью при комнатной температуре. С точки зрения прочности при высокой температуре особенно нежелательно одновременное существование крупного и мелкого зерна. Трубы пароперегревателей с такой структурой обладают пониженной прочностью и разрушаются хрупко.
Для повышения пластичности металла после наклепа, полученного в результате пластической деформации, применяют рекри-сталлизационный отжиг. Промежуточному отжигу при вальцовке подвергают заготовки толстостенных обечаек барабанов паровых котлов. Обычно рекристаллизационный отжиг для ускорения процесса проводят при температурах выше температуры рекристаллизации. Так, если железо и низкоуглеродистые стали имеют порог рекристаллизации 450° С, то их подвергают рекристалдизацион-ному отжигу при 650—700° С.
Теперь можно дать более точно определение горячей и холодной обработки металлов давлением.
Холодную обработку металлов давлением проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. В процессе холодной обработки происходит наклеп.
Горячую обработку металлов давлением проводят при температуре выше температуры рекристаллизации. Пластическая деформация и в этом случае вызывает сдвиги и упрочнение, но упрочнение устраняется рекристаллизацией.