Возврат и рекристаллизация деформированного металла при нагреве

При большой степени деформации металлических материалов в их структуре происходит преимущественная (закономерная) ориентировка кристаллографических плоскостей и напряжений в зернах. Она называется текстурой деформации. Чем выше степень изменения, тем большая часть зерен получает текстуру. Ее характер зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, штамповка и др.).

С увеличением уровня холодной деформации (ниже 0,15 - 0,20 Т_пл) параметры, характеризующие сопротивление ей (пределы прочности и текучести и др.) повышаются, а способность – пластичность уменьшается. Это явление получило название наклепа.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллической решетки. Повышение плотности искажений затрудняют движение отдельных дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

Металлы с гранецентрированной кубической решеткой упрочняются сильнее, чем с объемноцентрированной. В результате холодной деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

Около 10 – 15 % всей энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем в виде повышенной потенциальной энергии смещенных атомов и напряжений. Об этом свидетельствует увеличение количества дефектов кристаллической решетки и рост остаточных напряжений в процессе приложения нагрузки. Поэтому деформированный металл находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом наклепанном состоянии. Переход к более равновесному положению связан с уменьшением несовершенств решетки, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов. При низких (комнатных) температурах подвижность атомов мала и состояние наклепа может сохраняться достаточно долго. С повышением ее значений (ниже 0,2 - 0,3 Т_пл) диффузия атомов увеличивается и в металле начинают развиваться процессы, приводящие к более равновесному состоянию. Такое явление называется возвратом. Оно заключается в повышении структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов структуры. Но заметных изменений строения в данном случае еще не наблюдается.

В процессе возврата различают две стадии. Первая фаза называется отдыхом и наблюдается при невысоком нагреве (ниже 0,2 Т_пл). При нем происходит снижение количества вакансий, уменьшение плотности дислокаций и частичное снятие напряжений. Вторая ступень – полигонизация, деление зерен на части - полигоны (субзерна) размером 10^-6 - 10^{-4 см. Она осуществляется в результате скольжения и переползания дислокаций, вследствие чего искажения одного знака образуют стенки, разделяющие зерна на полигоны (многоугольники), свободные от дислокаций (рис. 1.66). Полигонизация реализуется при нагреве до температур 0,25 - 0,30 Т}_пл.

При возврате заметных изменений в микроструктуре не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение, но твердость и прочность его несколько понижается, а пластичность возрастает (рис. 1.67, 1).

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов повышается и происходит процесс рекристаллизации. Это образование и рост новых зерен. Данный процесс протекает в две стадии: первичную и собирательную (рис. 1.67, 2 – 4).

Рис. 1.67 - Изменение механических свойств металлов при возврате и рекристаллизации

Первичная рекристаллизация заключается в формировании зародышей с неискаженной кристаллической решеткой и их взрослении (рис. 1.67, 2 и 3). Количество зерен постепенно увеличивается и, в конечном итоге, в структуре не остается старых деформированных. Движущей силой данного процесса является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Находящийся в неустойчивом состоянии деформированный металл стремится перейти в более устойчивое положение с наименьшим запасом свободной энергии. Ему соответствует процесс создания все новых зерен с неискаженной решеткой.

Собирательная рекристаллизация – рост образовавшихся на первой стадии структурных единиц. Сильный рост глобул при нагреве выше точки перегрева (Т_п) может вызвать снижение как прочности, так и пластичности (рис. 1.67, 4) металла. Движущей силой ее является поверхностная энергия зерен. Увеличение их числа объясняется тем, что при наличии большой концентрации мелких составляющих их суммарная поверхность очень велика, и поэтому металл обладает большим запасом поверхностной энергии. В процессе укрупнения зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние. Особенность данного вида рекристаллизации заключается в том, что рост зерен осуществляется не в результате слияния нескольких мелких частиц в одну более крупную, а они увеличиваются за счет других, поглощая их вследствие трансформации атомов через границы раздела. Зерно на одном участке может вытягиваться за счет соседа, а на другом поглощаться другим, находящимся рядом с ним. Такая рекристаллизация может совершаться и до полного ее завершения.

Процесс зависит от температуры плавления и начинается при определенном ее значении, называемым порогом рекристаллизации (Т_рек) Т_рек = аТ_пл. Для технически чистых металлов коэффициент а равен 0,4. Металлы высокой чистоты имеют а, лежащие в диапазоне 0,1 - 0,2; а твердые растворы – а, находящиеся в интервале 0,5 - 0,8. Температура рекристаллизации понижается с увеличением степени предварительной пластической деформации, на нее также влияет размер зерна кристалла до деформации.

С началом процесса происходит существенное изменение свойств металла – противоположное модификации их при наклепе. При этом понижаются прочность, твердость и электросопротивление, но зато увеличиваются пластичность, вязкость, теплопроводность и другие свойства, уменьшающиеся при наклепе.

Основными факторами, определяющими величину зерен при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной пластической деформации. Чем выше температура нагрева, тем больше размер зерна. Такой же характер имеет зависимость величины семян от времени процесса.

Наиболее крупные зерна формируются после незначительной предварительной деформации, составляющей около 3 – 15 %. Ее называют критической. Практически температура рекристаллизационного отжига малоуглеродистых сталей обычно лежит в интервалах 600 – 700 °С, латуней и бронз – 500 – 700 °С, алюминиевых и титановых сплавов – 350 – 450 и 550 – 750 °С соответственно.