При отдыхе холоднодеформированного металла происходит

Макеты страниц

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25 °С. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве

деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

В общем, твердость и прочность максимально уменьшаются на 10-15% первоначальных значений и соответственно увеличивается пластичность. После отдыха повышается сопротивление коррозионному растрескиванию.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Схема полигонизации: а, б — наклепанный металл до и после полигонизации соответственно

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах — твердых растворах — наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах.

Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления.

После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами.

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации.

Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2-8 %); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди — к 5%.

Существует также температура рекристаллизации; это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла:

Значение коэффициента а зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты и понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей может понизить а до 0,1 —0,2. Для твердых растворов а при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 —0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 450 °С.

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках

Рис. 4.13. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а — наклепанный металл; б — начало первичной рекристаллизации; в — завершение первичной рекристаллизации; г, д — стадии собирательной рекристаллизации

с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации.

Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строения.

Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничтожения дислокаций; при этом между центром рекристаллизации и деформированной основой появляется высокоугловая граница.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.

Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис. 4.13).

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией.

Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная поверхность границ).

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем исчезают, а Другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем

Рис. 4.14. Схемы изменения твердости (а) и пластичности (б) наклепанного металла при нагреве: I — возврат; II — первичная рекристаллизация; III — рост зерна

более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рис. 4.14).

Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее в зависимости от температуры. Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп.

Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла.

Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость улучшается.

Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации и от температуры, при которой происходила рекристаллизация.

Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева. Зависимость размера зерен от степени деформации и температуры обычно демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации (рис. 4.15).

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают.

Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется предпочтительная ориентация зерен, которую называют текстурой рекристаллизации.

Ее вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и количества примесей, технологических факторов. Образование текстуры рекристаллизации

Рис. 4.15. Зависимость размера зерна D рекристаллизованного металла от деформации (а) и диаграмма рекристаллизации технически чистого железа (б); D — размер исходного зерна

имеет практическое значение для сплавов с особыми физическими свойствами, когда требуется улучшить то или иное свойство в определенном направлении изделия. Например, в листах трансформаторной стали образование текстуры дает возможность уменьшить потери на перемагничивание по определенным направлениям листа.

Тормозящее влияние дисперсных частиц второй фазы на рекристаллизацию успешно используется в промышленных сплавах для увеличения предельных рабочих температур.

Рис. 4.16. Зависимость температуры рекристаллизации двухфазного сплава от размера частиц второй фазы и расстояния между ними: I — I — температура рекристаллизации однофазного сплава без частиц второй фазы; 1 — торможение рекристаллизации; 2 — ускорение рекристаллизации

Сверхпластичное состояние металла проявляется при горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5-10 мкм). При низких скоростях деформирования металл течет равномерно, не упрочняясь, относительные удлинения достигают 102 — 103%.

Огромные деформации в сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен.

Для того чтобы реализовать сверхпластичное состояние, требуется не только получить ультрамелкие зерна, но и сохранить эту структуру в течение всего периода деформирования при температуре выше (порядка десятков минут).

В однофазных сплавах зерна твердого раствора успевают вырасти за это время так, что сверхпластичность теряется. Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов

обеих фаз при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелкозернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу таких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные смеси, двухфазные сплавы титана и т. п.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования.

Несмотря на медленность самого процесса формования и сравнительно высокие рабочие температуры, процесс выгоден, а в ряде случаев является единственным способом получения изделий, когда металл нужно без разрушения деформировать на 200-300% и выше.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Около 10…15 % всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем. Остальная часть энергии идет на нагрев металла.

Деформированный металл находится в неравновесном, неустойчивом состоянии, и в нем могут протекать процессы, направленные на достижение устойчивого состояния. Этот переход связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке и снятием напряжений, что в свою очередь определяется возможностью перемещения атомов.

С повышением температуры подвижность атомов увеличивается и начинают развиваться процессы, приводящие металл к равновесному состоянию. По мере нагрева деформированный металл проходит стадии возврата и рекристаллизации, в результате чего изменяются его структура и свойства (рисунок 20).

В области возврата (при нагреве до 0,3 Тпл) происходит повышение структурного совершенства металла в результате уменьшения плотности дефектов строения. При этом не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в оптический микроскоп. Механические свойства металла изменяются незначительно, порядка на 5…7 %.

При низких температурах (ниже 0,2 Тпл) протекает первая стадия возврата — отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования субграниц. При нагреве вакансии поглощаются дислокациями, которые двигаются к границам зерен. Часть дислокаций противоположного знака уничтожается.

Рисунок 20 — Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве

Вторая стадия возврата — полигонизация, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллов на субзерна (полигоны). При нагреве беспорядочно распределенные дислокации одного знака выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к образованию в монокристалле или в зерне поликристалла субзерен (полигонов), свободных от дислокаций и отделенных дислокационными границами (рисунок 21).

Этот процесс протекает обычно при небольших деформациях при температуре (0,25…0.3)Тпл, и им создаются условия для образования в структуре металла зародышей новых зерен.

Рисунок 21 — Схема процесса полигонизации

Стадия первичной рекристаллизации в деформированном металле происходит при его нагреве выше 0,3Тпл. При высоких температурах подвижность атомов возрастает и образуются новые равноосные зерна.

Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется первичной рекристаллизацией.

В деформированном металле на участках с повышенной плотностью дислокаций образуются и растут зародыши. Образуется совершенно новое зерно, по размерам отличающееся от исходного до деформации. Наклеп практически полностью снимается, и свойства приближаются к их исходным значениям.

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурным порогом рекристаллизации.

Температурный порог рекристаллизации (Тр) связан с температурой плавления металла зависимостью А.А.Бочвара:

• Тр = а∙Тпл ,
• где Тпл — абсолютная температура плавления, К;
• а — коэффициент, зависящий от чистоты металла.
• Для металлов высокой чистоты а = 0,1…0,2; для технически чистых металлов а=0,4; для сплавов твердых растворов а = 0,5…0,6.
• Для некоторых металлов значение температурного порога рекристаллизации приведено в таблице 2.
• Рекристаллизационный отжиг малоуглеродистых сталей проводят при 600…700 0С, латуней и бронз при 560…700 0С, алюминиевых сплавов при 350…450 0С, титановых сплавов при 550…750 0С.

Собирательная рекристаллизация проходит после завершения первичной рекристаллизации в процессе дальнейшего нагрева. Она заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.

Таблица 2 — Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов

Особенность собирательной рекристаллизации состоит в том, что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, ”поедая” их вследствие перехода атомов через границы раздела. Зерна с вогнутыми границами растут за счет зерен с выпуклыми границами (рисунок 22).

Атом на вогнутой поверхности имеет большее число соседей и, следовательно, меньшую энергию, по сравнению с атомами на выпуклой поверхности. Малые зерна постепенно исчезают.

Собирательная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов и поэтому чаще всего недопустима для наклепанного металла.

Рисунок 22 — Схема роста зерен при собирательной рекристаллизации

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень производительной пластической деформации (рисунок 23).

Величина зерна возрастает с повышением температуры нагрева и времени выдержки. При температурах Т1 и Т2 (выше Тр) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу, а через некоторый отрезок времени t1 и t2, который называется инкубационным.

Рисунок 23 — Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна

Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации, обычно порядка 3…15 %, такую степень деформации называют критической.

Критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизации.

Холодная и горячая деформация >
Дальше >

Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе ста­дии сопровождаются выделением теп­лоты и уменьшением свободной энер­гии. Возврат происходит при относи­тельно низких температурах (ниже       0,3 Тпл.), рекристаллизация — при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микро­структуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарож­дение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в ре­зультате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего рав­ноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразде­ляют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакан­сий; в ряде металлов, таких, как алюми­ний и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дисло­каций разных знаков и приводит к за­метному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопро­вождается также уменьшением оста­точных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каж­дого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возни­кают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл раз­деляется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций.

Схема полигонизации: а, б — наклепанный металл до и после полигонизации соответственно

Полигонизация в металлах техниче­ской чистоты и в сплавах твердых рас­творах -наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс ред­ко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах.

Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твер­дости и характеристик прочности. Блоч­ная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохра­няется почти до температуры плавле­ния.

После формирования блочной структуры рекристаллизация не насту­пает, полигонизация и рекристаллиза­ция оказываются конкурентами.

Рекомендуемые материалы

Пластически деформированные ме­таллы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой пре­вышает определенное критическое зна­чение, которое называется критической степенью деформации. Если степень де­формации меньше критической, то заро­ждения новых зерен при нагреве не про­исходит.

Существует также температура рекри­сталлизации; это наименьшая темпера­тура нагрева, обеспечивающая возмож­ность зарождения новых зерен. Темпе­ратура рекристаллизации составляет не­которую долю от температуры плавле­ния металла:          Tрекр. =0,4Tпл. Для алюминия, меди и же­леза технической чистоты темпера­турный порог рекристаллизации равен соответственно 100. 270 и 450 °С.

Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а — наклепанный металл; б — начало первичной рекристаллизации; в — завершение первичной рекристаллизации; г, д — стадии собирательной рекристаллизации

Зарождение новых зерен при рекри­сталлизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает цен­тров рекристаллизации.

Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строе­ния.

Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничто­жения дислокаций; при этом между цен­тром рекристаллизации и деформиро­ванной основой появляется высокоугло­вая граница.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к бо­лее совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.

Схемы изменения твердости (а) и пластичности (6) наклепанного металла при нагреве: I— возврат;     II— первичная     рекристаллизация; III — рост зерна

Рассмотренная стадия рекристаллиза­ции называется первичной рекристалли­зацией или рекристаллизацией обработ­ки. Первичная рекристаллизация закан­чивается при полном замещении новы­ми зернами всего объема деформирован­ного металла.

По завершении первичной рекристал­лизации происходит рост образовав­шихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристал­лизации называется собирательной ре­кристаллизацией.

Этот процесс само­произвольно развивается при достаточ­но высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии.

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к со­седнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшают­ся в размерах и затем исчезают, а дру­гие становятся более крупными, погло­щая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется.

Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна. Первичная рекристаллизация пол­ностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл при­обретает равновесную структуру с ми­нимальным количеством дефектов кри­сталлического строения.

Свойства ме­талла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.

Холодная и горячая деформации

Деформирование металлов подразде­ляют на холодное и горячее в зависимо­сти от температуры. Холодное дефор­мирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывает­ся и сохраняет наклеп.

Горячее дефор­мирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекри­сталлизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла.

На­пример, горячее деформирование с вы­сокими скоростями и большими дефор­мациями с дальнейшим быстрым охла­ждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.

Термическая обработка металлов и сплавов

Определения и классификация

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их струк­туры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, ин­струменты. Основные виды термической обработки — отжиг, закалка, отпуск и старение.

Каждый из указанных видов имеет не­сколько разновидностей.

Отжиг — термическая обработка, в ре­зультате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к рав­новесной: отжиг вызывает разупрочне­ние металлов и сплавов, сопровождаю­щееся повышением пластичности и сня­тием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге за­висит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охла­ждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30-200°С/ч.

Закалка — термическая обработка, в ре­зультате которой в сплавах образуется неравновесная структура.

Неравно­весные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, поли­морфные превращения твердых раство­ров, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной ре­акции и др.

Для получения неравновес­ной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить рав­новесное превращение при охлажде­нии. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице:

Конструкционные и инструменталь­ные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение.

Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к из­мельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь.

Если в результате закалки при температуре 20-25°С фиксируется состояние высокотемпера­турного твердого раствора, значитель­ного упрочнения сплава непосредствен­но после закалки не происходит; основ­ное упрочнение создается при повтор­ном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.

Отпуск и старение — термическая об­работка, в результате которой в предва­рительно закаленных сплавах происхо­дят фазовые превращения, приближаю­щие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предпола­гает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик про­чности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый рас­твор. В этом случае основной процесс, проис­ходящий при отпуске или старении,— распад пересыщенного твердого раство­ра.

Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное со­стояние сплава при обработке не дости­галось, как это происходит при отжиге.

Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исклю­чением не влияет на структуру и свой­ства сплавов.

Термин “отпуск” используют обычно применительно к сталям и другим спла­вам, испытывающим при закалке поли­морфное превращение. Термин “старение”-применительно к сплавам, не претерпе­вающим при закалке полиморфного превращения.

Любой технологический процесс тер­мической обработки состоит из трех ос­новных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иног­да и весь процесс термической обработ­ки (отжиг) проводят в термических пе­чах.

Термическую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, ре­кристаллизации пластически деформи­рованных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слит­ках или отливках.

Соответствующие опе­рации термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный от­жиг (гомогенизация).

Состояние сплавов после теплового воздействия стано­вится более равновесным.

Нагрев для снятия остаточных напря­жений

Многие технологические воздей­ствия на обрабатываемые детали сопро­вождаются возникновением в них оста­точных напряжений, которые уравнове­шиваются в объеме детали.

Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрика­тах, неравномерно охлаждающихся по­сле проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заго­товках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п.

Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежела­тельны.

Они могут вызвать деформа­цию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, сумми­руясь с напряжениями от внешних на­грузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструк­ции; увеличивая запас упругой энергии, оста­точные напряжения повышают вероят­ность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут дости­гать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напря­жений изделия нагревают. С повыше­нием температуры предел текучести по­нижается, поэтому остаточные напряже­ния вызывают пластическую деформа­цию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре на­грева.

В стальных и чугунных деталях зна­чительное снижение остаточных напря­жений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С; после выдерж­ки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от не­скольких до десятков часов и зависит от массы изделия.

Ещё посмотрите лекцию «64 Ультразвуковая диагностика патологии аортального и митрального клапанов сердца» по этой теме.

В сплавах на основе меди и алюми­ния существенное уменьшение оста­точных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Напри­мер, в холоднодеформированных ла­тунных полуфабрикатах остаточные на­пряжения практически полностью сни­маются в процессе отжига при 250-300°С

По окончании выдержки при задан­ной температуре изделия медленно ох­лаждают, чтобы предотвратить возник­новение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пре­делах 20-200 °С/ч.

Рекристаллизационный отжиг

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдерж­ки происходит главным образом рекри­сталлизация.

Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет ре­шающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на спокойном воздухе.

Цель отжига — пони­жение прочности и восстановление пла­стичности деформированного металла, получение определенной кристаллогра­фической текстуры, создающей анизо­тропию свойств, и получение заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперацион­ной смягчающей обработки при холод­ной прокатке, волочении и других опе­рациях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100-200 °С выше температуры рекристаллизации.

В некоторых металлах и твердых рас­творах рекристаллизация сопровождает­ся образованием текстуры (преимуще­ственной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает ани­зотропию свойств. Это позволяет улуч­шить те или иные свойства вдоль опре­деленных направлений в деталях.

 В машиностроении и приборостроении широ­кое применение находят металлы и сплавы — твердые растворы, не имею­щие фазовых превращений в твердом состоянии.

В таких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пла­стической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

В реальных условиях охлаждения рас­плава кристаллизация твердых раство­ров чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации расту­щих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации.

В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла — внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при вы­соких температурах, в результате кото­рой уменьшается ликвационная неодно­родность твердого раствора. При высо­кой температуре протекают диффу­зионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллиза­ции.

Влияние нагрева на структуру и свойства холоднодеформированных металлов

Почти 95% энергии, затрачиваемой на деформацию металла, превращается в тепловую, остальная часть энергии поглощается металлом, аккумулируется в нем в виде повышенной потенциальной энергии смещенных атомов, напряжений, в виде повышенной плотности несовершенств структуры (вакансий, дислокаций).

О накоплении энергии свидетельствует также рост остаточных напряжений в результате деформации. В связи с этим состояние деформированного (наклепанного) металла термодинамически неустойчиво. Такая неравновесная структура у большинства металлов устойчива при комнатной температуре.

Переход к более устойчивому состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При повышении температуры увеличивается диффузия атомов, в связи с чем ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества. Так начинают развиваться процессы, приводящие металл к более равновесному состоянию.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах, рекристаллизация — при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, то есть размер и форма кристаллов при возврате не изменяются. Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две стадии: отдых и полигонизапию.

Отдых происходит при невысоком нагреве. При этом наблюдается уменьшение количества вакансий и плотности дислокаций, частичное снятие остаточных напряжений.

Отдых вызывает значительное уменьшение электросопротивления и повышение плотности металлов. С уменьшением плотности дислокаций уменьшаются твердость и прочность металла (алюминий, железо).

Если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то он не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).

Вторая стадия возврата — полигонизация: деление зерен на части — полигоны (субзерна) размером 10_6—10-4 см. В пределах каждого кристалла образуются малоугловые границы.

Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна — полигоны, свободные от дислокаций, а дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки.

Два полигона, разделенные стенкой (малоугловой границей), состоящей из нескольких краевых дислокаций, схематично показаны на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Схема расположения двух полигонов

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах — твердых растворах — наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах, хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах.

Полигонизация — энергетически выгодный процесс, приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности металлов и сплавов.

Температура начала полигонизапии не является постоянной. Скорость полигонизации зависит от природы металла, от степени предыдущей деформации, содержания примесей и т.д.

При возврате заметных изменений в микроструктуре не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение. При этом твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла при возврате (отдыхе) и рекристаллизации

Рекристаллизация. При нагреве до довольно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит процесс рекристаллизации. Рекристаллизацией называют процесс образования и роста новых зерен при нагреве деформированного металла до определенной температуры (рис. 5.9).

Процесс рекристаллизации пластически деформированного металла может происходить лишь после деформации, степень которой превышает определенную минимальную величину, называемую критической степенью деформации. Если степень деформации ниже критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит.

Критическая степень деформации невелика (2—8%); для алюминия — 2%, для железа и меди — 5%.

Существует также температурный порог рекристаллизации — это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температурный порог рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла:

Значение коэффициента к зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты к = 0,3—0,4 и понижается с увеличением степени деформации. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100; 270; 450 °С.

Различают рекристаллизацию первичную и собирательную.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании зародышей и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой.

Наиболее вероятно, что новые зерна возникают у границ блоков и зерен, внутри зерен, где решетка металла наиболее сильно искажена при пластической деформации. Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации.

Количество новых зерен постепенно увеличивается, и в конечном счете в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в деформированном металле.

Первичная рекристаллизация заканчивается при полном поглощении новыми зернами старых деформированных зерен.

Собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен.

Укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная поверхность).

Рост зерен происходит путем перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах, затем исчезают, а другие растут, поглощая соседние зерна.

Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизо- ванные зерна. Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла, его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Металл после этого полностью освобождается от наклепа, приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Восстанавливаются все физические и механические свойства.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов существенно зависят от размера зерен: с их уменьшением эти характеристики свойств уменьшаются.

Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации и от температуры рекристаллизации.

С увеличением степени деформации выше критической размер зерна увеличивается вследствие увеличения числа центров рекристаллизации, а повышение температуры нагрева укрупняет зерна из-за ускорения собирательной рекристаллизации .

В рекристаллизованном металле при известных условиях возникает предпочтительная ориентировка зерен — текстура.

Текстура рекристаллизации, так же как и текстура другого происхождения, вызывает значительную анизотропию физических и механических свойств.

Характер текстуры рекристаллизации определяется условиями проведения отжига, видом предшествующей обработки давлением (прокатка, волочение и др.), а также количеством и природой примесей.

В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.

Холодной называют деформацию, которую проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом металла).

• Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью ре- кристаллизованной структуры.
• Горячую деформацию в зависимости от состава сплава и скорости деформации обычно проводят при температурах (0,7—0,75) Тпл.
• Если металл после деформации имеет частично рекристаллизо- ванную структуру, то такую обработку правильнее называть неполной горячей или теплой деформацией.
• Если после деформации при температурах выше температуры рекристаллизации металл (сплав) все же находится в наклепанном состоянии или имеет полигонизованную структуру, то такую обработку следует отнести к холодной.

• 1. Чем различаются между собой вязкое и хрупкое разрушение? Какие факторы способствуют тому или другому виду разрушения?
• 2. Каким образом можно оценить вязкость металла?
• 3. В каких случаях может проявляться усталостное разрушение металлов?
• 4. В чем заключается природа износа металлов и каковы его разновидности?
• 5. Что такое первичная и собирательная рекристаллизация?
• 6. Какая деформация называется холодной, а какая — горячей?

ПОИСК

Как изменяются структура и свойства холоднодеформированного металла при нагреве.
 [c.152]

Свойства холоднодеформированных металлов
 [c.131]

Свойства холоднодеформированного металла по разным направлениям различны. Анизотропия свойств обусловлена двумя причинами волокнистостью структуры и текстурой деформации.
 [c.43]

Конструкторы и технологи, работающие в области обработки металлов давлением, при расчетах широко используют данные, характеризующие механические свойства холоднодеформированного металла . временное сопротивление ав, условный предел текучести ао,а, относительное удлинение при разрыве б, твердость (по Бринелю) НВ и др.
 [c.103]

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения возникают из-за неоднородного нафева или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций при пластическом деформировании и т.д. Остаточные напряжения создают системы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в заготовке, не нагруженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механические свойства металла, но влияет на некоторые его физикохимические свойства. Так, в результате возврата значительно повышаются электрическая проводимость, сопротивление коррозии холоднодеформированного металла.
 [c.61]

При 7 0,4 Гпл в деформированном металле протекает рекристаллизация — явление возникновения и роста новых зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных (рис. 97, б).

Рекристаллизация полностью уничтожает строчечную структуру холоднодеформированного металла, восстанавливает его механические и физические свойства.

Температура, при которой начинается рекристаллизация, называется температурой рекристаллизации.
 [c.108]

Рекристаллизация — изменение формы зерен холоднодеформированного металла при нагреве зерна из вытянутых вдоль направления прокатки становятся равноосными при этом происходит восстановление прежних (до наклепа) пластических свойств.

Рекристаллизация в процессе холодной прокатки производится путем промежуточного отжига — нагрева металла до повышенной температуры. При горячей прокатке процесс рекристаллизации протекает практически мгновенно вслед за деформацией металла.

Частичное возвращение пластических свойств металла без изменения его структуры (явление возврата) заметно проявляется при температурах выше 0,25— 0,3 (Т.,,— абсолютная температура плавления ).

В частности, возможность холодной прокатки без отжига до очень высоких степеней деформации объясняется исключительно высокой скоростью деформации, сопровождаемой частичным разупрочнением посредством возврата. Явление же собственно рекристаллизации для чистых металлов наблюдается, согласно Бочвару, при температурах выше 0,4 Гп., (табл. 49).
 [c.289]

Если пластическая деформация оказывает упрочняющее влияние на металл, то повышение температуры вызывает его разупрочнение.

При незначительном нагреве, увеличивающем подвижность атомов, в холоднодеформированном металле уменьшаются остаточные напряжения и в некоторой степени устраняется искажение кристаллической решетки.

При этом форма и размеры деформированных зерен не изменяются, строчечная и волокнистая структура металла полностью сохраняются. В результате рассмотренных явлений, называемых возвратом, прочностные свойства металла уменьшаются, пластические — увеличиваются.  [c.204]

Невысокий нагрев холоднодеформированного металла ведет к снятию упругих напряжений и искажений в решетке. Микроструктура металла заметно не меняется. Наблюдается частичное восстановление прежних свойств, при этом упрочнение снижается на 20—30%. Такой процесс снятия упругих напряжений и искажений в кристаллической решетке, сопровождающийся частичным возвращением свойств недеформированного металла, называется во звр а. том или отдыхом.
 [c.98]

Если холоднодеформированный металл подвергнуть термической обработке — отжигу, то наклеп устраняется и металл снова приобретает пластичность и другие присущие ему свойства. В холодном состоянии обработке давлением подвергают тонкие листы, полосы из мягкой стали, цветные металлы и сплавы.
 [c.217]

Рекристаллизация холоднодеформированного металла — ре-кристаллизационный отпуск (отжиг) является операцией, проводимой в целях восстановления свойств и строения металла, подвергшегося деформации ниже температуры рекристаллизации (холодная деформация).

Как известно, при холодной деформации происходит существенное изменение свойств сталей — значительно повышаются характеристики прочности, снижаются характеристики пластичности и ударная вязкость.

Также происходят изменения структуры — кристаллиты дробятся и приобретают вытянутую форму.
 [c.164]

При холодной деформации вследствие неодинакового направления плоскостей скольжения в зернах, неравномерного распределения деформаций в объеме заготовки, различия в форме, размерах и свойствах зерен последние получают разную по величине упругую деформацию. В результате после снятия внешних усилий в холоднодеформированном металле возникают остаточные напряжения.
 [c.49]

Нагрев холоднодеформированного металла до температуры возврата не оказывает заметного влияния на показатели его механических свойств (показатели прочности незначительно уменьшаются, а показатели пластичности несколько увеличиваются).
 [c.50]

Из этих работ можно сделать заключение, что влияние радиационных нарушений сравнимо с влиянием холодной деформации материалов.

Тот факт, что под действием облучения предел текучести и предел прочности холоднодеформированных материалов не увеличивались, указывает, что дальнейшее изменение структуры металла или сплава за счет радиации не приводит к сильному изменению этих свойств.
 [c.253]

Между тем в металле после горячей обработки давлением (как и в холоднодеформированном металле) проявляетея анизотропия свойств.

Причиной этого является текстура рекристаллизации, а также, например в стали, примеси ликвации и неметаллические включения, вытягивающиеся в направлении деформации и располагающиеся рядами между зернами феррита. Такую структуру называют строчечной.
 [c.88]

Для отожженного состояния изменение скорости нагрева от 20 до 150°С/мин практически не сказывается на значениях механических свойств. В случае же нагрева деформированной стали больший прирост показателей прочности наблюдается после ускоренного нагрева (150°С/ /мин).

Так, после закалки и отпуска при 250°С временное сопротивление разрыву исходной отожженной стали равно 1250 МПа, а деформированной 1410 МПа после более быстрого и 1350 МПа после замедленного нагрева.

Однако, как видно из сравнения этих цифр, эффект упрочнения сохраняется и после ддвольно медленного нагрева деформированной стали (20°С/мин). Заметное повышение свойств после термической обработки холоднодеформированного металла отмечалось в работах М.Л. Бернштейна, М.А. Штремеля и др.

При этом пластические характеристики сохраняются на доЛаточно высоком уровне, а в некоторых случаях даже возрастают [ 79 — 82].
 [c.59]

Типовая термическая обработка магнитномягких сталей состоит в длительном отжиге при температурах 860—900°.

Основное назна чение отжига — выжигание углерода и вредных примесей, снятие наклепа, получаемого при прокатке, и увеличение размера зерен Повышение размеров зерен улучшает магнитные свойства трансфор маторной стали, снижает потери энергии и увеличивает магнитную проницаемость благодаря меньшему числу границ и меньшим иска жениям решетки.

Рост зерна в трансформаторной стали может быть достигнут как рекристаллизацией холоднодеформированного металла, так и собирательной рекристаллизацией под действием повышенной температуры и длительных выдержек. Особенно большое значение имеет чистота границ зерен.

Для повышения чистоты границ зерен, улучшения условий выгорания углерода и роста зерен применяют отжиг в обезуглероживающих атмосферах (водорода, диссоцииро ванного аммиака) при повышенных температурах (до 1000—-1100 ) Охлаждение после отжига должно быть медленным, обеспечиваю шим минимальные напряжения.
 [c.138]

Контроль отжига холоднодеформированных листовых сталей. Шидловская Э. А. Физические свойства металлов и проблемы неразрушающего контроля . Мн., Наука и техника , 1978, 89—93,
 [c.233]

ТРУБЫ ТИТАНОВЫЕ — изготовляются горячекатаными или холоднодефор-мированными из технич. титана различных гр. и титановых сплавов 0Т4-1, 0Т4 и др.

Горячедеформированные трубы, а также заготовки для холоднодеформированных труб в ряде случаев изготовляют прессованием в зависимости от размеров и свойств металла их получают непосредственно из литого металла или после предварительной деформации слитков.

Горячедеформированные трубы изготовляются диаметром от 50 до 325 жж толщиной стенки соответственно от 3—6 мм до 13—35 мм, а также и др. размеров горячекатаные диаметром 75 мм и более.
 [c.361]

При небольших температурах нагрева холоднодеформирован-ного металла (выше 0,ЗТ ,, где — абсолютная температура плавления металла) происходит снятие остаточных напряжений, искажений кристаллической решетки и взаимное уничтожение линейных дислокаций различных знаков за счет возросшей подвижности атомов, однако волокнистая микроструктура металла остается неизменной. Это явление называется возвратом, так как оно вызывает частичный возвра ластичзских свойств и снижение хрупкости металла.
 [c.150]