Изучение влияния холодной пластической деформации и рекристаллизационного отжига на свойства стали

Деформирование - это процесс изменения формы или размеров тела (или части тела) под действием внешних сил. В твердых телах различают упругую деформацию, исчезающую после прекращения действия внешних сил, и пластическую (остаточную) деформацию, когда размеры и форма тела не восстанавливайся до первоначальных.

Простейшие виды деформации - растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Способность к пластической деформации - это одно из важнейших полезных свойств черных и цветных металлов, обеспечивающее возможность изготовления из них прокаткой, волочением, прессованием, ковкой, штамповкой изделий различной формы.

Особенностью пластической деформации металлов и сплавов в холодком состоянии является резкое изменение их механических, физических и некоторых других свойств. Это происходит из-за увеличения количества дефектов в кристаллической решетке металла - точечных эффектов и дислокаций. После холодного пластического деформирования металлов увеличиваются их твердость, прочность, предел текучести, упругость, но сильно снижаются пластичность, вязкость, сопротивляемость коррозии. Металл приобретает полосчатое строение, анизотропность механических, физических свойств; возникают большие внутренние напряжения.

Как оценить такое влияние холодной пластической деформации на свойства металлов? Это положительное или нежелательное явление? Однозначно ответить нельзя. Эго предопределяется назначением изделия, изготовленного из металла условиями его эксплуатации, последующими технологическими операциями или отсутствием таковых.

Например, недопустимо использовать в агрессивной среде штампованную, незащищенную от коррозии сталь. Однако этот способ изготовления очень производителен, экономичен (малый расход металла), поэтому эффективно штамповать детали и защищать рациональными способами от коррозии, Увеличенные прочности, твердость и упругость пластически деформированных заготовок, предназначенных, например, для изготовления деталей гибкой, просечкой или обработкой резанием в данном случае оцениваются как ухудшение свойств, затрудняющих обработку: Такие заготовки подвергают рекристаллизационному отжигу для предания им пластичности и меньшей твердости, Вместе с тем, увеличенные прочность, твердость, упругость имеют важное значение для обеспечения необходимой прочности и долговечности деталей машин и строительных элементов. Эго позволяет сэкономить большое количество металла для обеспечения нужной несущей способности конструкций.

Упрочнение металла путем холодного пластического деформирования широко используется в машиностроении. Волочением или вытяжкой стальных стрежней и проволоки удается повысить их предел текучести на 17...40%, предел прочности на 20...60%, что позволяет сэкономить большое количество металла. Холодная пластическая обработка, например, поверхностного слоя осей и валов (поверхность с усилием обкатывают роликом) значительно повышает сопротивление усталости и долговечность этих деталей.

Рассмотрим процессы, происходящие в стали при ее пластическом деформировании в холодном состоянии.

Основным механизмом пластической деформации металлов, как и кристаллов вообще, является внутризеренное сдвиговое перемещение одних частей кристалла (кристаллита) относительно других.

В процессе деформации беспорядочно расположенные зерна вытягиваются и поворачиваются в направлении действия усилий и перестают быть равноосными. При больших обжатиях возникает текстура, т.е. преимущественная ориентация кристаллической решетки зерен относительно направления деформации. Текстуру приводят к различию свойств в разных направлениях, т.е. к анизотропии материала.

Существуют две разновидности механизма деформации монокристаллов; скольжение и двойникование. Наиболее часто происходит скольжение, которое состоит в перемещении одной части кристалла относительно другой. Двойникование представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркальносимметричное по отношению к недеформированной части кристалла. Для каждого типа решетки характерны свои плоскости и направления двойникования.

Пластическая деформация скольжением происходит путем смещения (сдвига) отдельных дислокаций по кристаллографическим плоскостям, наиболее густо заполненным атомами. Большее число возможных систем скольжения наблюдается у железа.

Упрочнение в ходе деформации - это замечательная особенность металлов, непосредственно связанная с дислокационной структурой, которая возникает при деформации и препятствует дальнейшей деформации. В результате критическое сдвиговое напряжение, необходимое для дальнейшей деформации, меняется в ходе самого процесса и тем сильнее, чем большее сопротивление движению оказывает дислокационная структура, созданная обработкой, предшествующей данному моменту.

Исследованиями отчетливо выявлены три стадии упрочнения при деформации.

Первая стадия деформации состоит на двух участков начального упругой деформации и последующего – эластической. На начальном участке пластической деформации упрочнение мало. Эта стадия легкого скольжения.

Вторая стадия, наступающая с увеличением деформации, существенно больше (в 30 раз). Здесь образуются сложные сплетения дислокаций и начинается процесс формирования ячеистой структуры.

Третья стадия упрочнения характеризуется значительным уменьшением интенсивности упрочнения с увеличением деформации, что получило название динамического возврата.

Пластическая деформация двойникованием характерна прямолинейностью образующихся областей и строгой кристаллографической направленностью двух параллельных границ.

Началу двойникования чаще всего предшествует скольжение, в процессе которого образуются дислокационные скопления.

При деформации поликристаллических тел характер структурных изменений и важнейшие черты процесса в основном сохраняются, как и в монокристаллах.

Основные изменения вызваны тем, что каждый кристаллит поликристалла ориентирован в пространстве, а значит, и к внешним силам иначе чем окружающие его соседние кристаллиты, с которыми он разделен границами зерен.

В различных кристаллитах скольжение начинается не одновременно и идет по системам скольжения, различно ориентированным в пространстве. Изменение размеров у разных кристаллитов неодинаково в разных направлениях. По этой причине каждый кристаллит испытывает, помимо воздействия внешних сил, воздействие и от соседних с ним кристаллитов, не совпадающее по направлению с первым. В результате различаются и степени деформации областей вблизи границ и в объеме зерна. Чем крупнее размер исходных зерен, тем эта граница больше, особенно при небольших и средних степенях деформации.

Более интенсивно упрочняются мелкозернистые материалы по сравнению с крупнозернистыми. В крупнозернистых материалах центральные объемы зерен менее наклепаны, чем приграничные.

Для деформации поликристаллов характерна значительная межзеренная неоднородность, т.е. неоднородность деформации смежных зерен.

Как показали опыты с выращенными бездислокационными кристаллами, их прочность равна теоретической и в десятки и сотни раз превосходит прочность реальных кристаллов.

Почему же после пластической деформации металла и увеличения числа дислокаций прочность реальных металлов возрастает? Это объясняется тем, что образуется большое количество дислокаций в различных кристаллографических плоскостях. И если на пути движения дислокации встречаются препятствия в виде другой дислокации, процесс перемещения затормаживается и для преодоления этих препятствий требуются большие внешние усилия, свидетельствующие об упрочнении металла. Однако прочность металла при этом все-таки не достигает теоретический прочности бездислокационных кристаллов.

В технике широко используется прием упрочнения металлов и сплавов холодным пластическим деформированием – прием упрочнения металлов или нагартовкой. Путем наклепа удается повысить твердость и предел прочности стали в 1,5...3 раза, а предел текучести - в 3...7 раз при максимально возможных деформациях. Хорошо упрочняются аустенитные стали, алюминиевая броня, никель, алюминий. Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, а после 40% деформации их механические свойства изменяются незначительно.

Необходимо помнить, что при упрочнении металла следует обеспечивать известный запас пластичности или вязкости, чтобы при эксплуатации конструкции не произошло хрупкого разрушения упрочненной детали.

В результате пластического деформирования пластин или стержней толщина заготовки уменьшается, а длина возрастает. Увеличение длины заготовки называется вытяжкой, а разность между толщиной Н заготовки до и после h прокатки называется линейным или абсолютным обжатием.

Коэффициенты вытяжки выражают отношением длины заготовки после обработки ее к исходной длине, отношением площадей поперечного сечения или отношением квадратов диаметров заготовки до и после обработки:

При волочении, например, коэффициент вытяжки за один проход составляет 1,2…1,6, а суммарный за несколько проходов 1,7. ..6.5.

Коэффициент обжатия определяется как отношение: ,

соответственно относительное обжатие вычисляется так:

При волочении относительное обжатие за проход составляет 16...40%, а суммарное 40...85%.

При прокатке заготовки на гладких валках изменяется и ее ширина. Коэффициент уширения вычисляется как отношение ширины В₂ полосы после прокатки к исходной ширине В₁:

Необходимо помнить, что чем меньшую роль в схеме главных напряжений играют растягивающие напряжения, тем большую способность к пластической деформации проявляет металл. Наилучшие условия для пластической деформация наблюдаются при объемной схеме с двумя деформациями сжатия и наихудшие -при объемной схеме с двумя деформациями растяжения.

Состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво при всех температурах. Свободная энергия такого металла больше, чем отожженного за счет энергии искажений, создаваемой дислокациями и точечными дефектами, образованными при деформации. Дефекты кристаллической структуры, созданные пластической деформацией, устраняются при нагреве. Изменение структуры металла влечет за собой изменение его свойств - уменьшаются прочность, твердость, упругость и увеличивается пластичность.

Различают следующие стадии процесса устранения следов наклепа, протекающие при нагреве: возврат (отдых и полигонизация) и рекристаллизация (первичная, собирательная, вторичная).

Отдых (начальная стадия возврата) - это процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов, а также перераспределения дислокаций без образования новых границ. Эго приводит к небольшой потере прочности, твердости металла, некоторому снижению внутренних напряжений.

Полигонизация (конечная стадия возврата) - это процесс, заметно изменяющий структуру и свойства деформированного металла в результате его нагрева. При этом снимаются напряжения в деформированных кристаллах путем пластических сдвигов по определенным атомам плоскостям, которые разбивают кристалл на отдельные блоки или полигоны, повернутые относительно друг друга на малые углы.

Таким образом, отдых и полигонизация металла являются двумя последовательными стадиями возврата - процесса частичного восстановления структурного совершенства и свойств деформированных металлов и сплавов при их нагреве ниже температуры рекристаллизации. Сопровождается этот процесс некоторым изменением физических и механических свойств металлов. Например, после возврата низкоуглеродистой стали при температуре 300...400° ее прочность и твердость понижаются на 20...30%. В процессе более высокого нагрева металла при его рекристаллизации существенно уменьшается число дефектов кристаллической решетки, восстанавливается структура металла и сплава, а следовательно, восстанавливаются физические, механические и другие свойства, Различают первичную, собирательную и вторичную рекристаллизацию.

Первичная рекристаллизация - это процесс формирования и роста в деформированном металле новых зерен, свободных от искажений или значительно более совершенных. Существует связь, между температурой рекристаллизации и температурой плавления металла:

Тр = (0,35...0,4) Тпл.

Движущая сила первичной рекристаллизации - избыточная объемная энергия, накопленная в процессе пластической деформаций. Эта энергия почти целиком сконцентрирована в полях напряжений окружающих дислокаций, созданных при деформации.

Рекристаллизация начинается с образования и роста центров рекристаллизации (зародышей), образующихся при нагреве. Они формируются в тех участках кристаллической решетки, которые были сильнее всего разориентированы и искажены при наклепе - у границ зерен и стыков. Повышение скорости нагрева способствует измельчению структуры к концу первичной рекристаллизации. Большая скорость деформации действует аналогично степени деформации. При более мелком исходном зерне ускоряется процесс первичной рекристаллизации.

Таким образом, в результате первичной рекристаллизации вытянутые вследствие пластической деформации зерна металла превращаются в мелкие, беспорядочно ориентированные зерна, т.е. структура восстанавливается до той, что была до холодного пластического деформирования. Восстанавливаются и свойства - металл разупрочняется, становится пластичным.

Железобетонные конструкции, армированные холодоупрочненными (вытяжкой, волочением, сплющиванием) сталями должны быть надежно защищены от воздействия высоких температур (300…700°). Иначе происходит рекристаллизация с потерей прочности.

Собирательная рекристаллизация наступает после первичной. Она заключается в росте новых зерен за счет только что образовавшихся мелких.

Основная термодинамическая сила этого процесса - стремление к уменьшению зерноограниченной («поверхностной») энергии. Границы зерен сокращаются. После собирательной рекристаллизации металл становятся крупнозернистым с еще более низкими прочностными свойствами.

Вторичная рекристаллизация, как и собирательная, протекает в материале, уже испытавшем рекристаллизацию, при последующем нагреве до более высоких температур. Различие между собирательной и вторичной рекристаллизацией состоит в том, что при собирательной рекристаллизации растут все зерна, а при вторичной имеются определенные зерна, способные расти со значительно большей скоростью, чем другие и за счет других.

Рекристаллизация после критической степени деформации характерна тем, что величина зерен изменяется скачком, сразу достигая максимума. Следует избегать критической степени деформации металла, составляющей только 2...10% так как после рекристаллизационного отжига, применяемого для снятия наклепа, получается крупно зернистая структура, обладающая пониженной ударной вязкостью к прочности. По мере увеличения степени деформации сверх критической, величина зерна относительно плавно уменьшается.