Краткие сведения из теории. В настоящее время при изготовлении металлических изделий наиболее распространена обработка давлением (ковка

В настоящее время при изготовлении металлических изделий наиболее распространена обработка давлением (ковка, штамповка, прессование, волочение, прокатка и т.д.) При этом форма изделиям придается путем пластического деформирования металла. В результате изменяются строение металла и его свойства. Важно знать закономерности этого процесса и уметь управлять ими для получения определенной структуры металла и требуемых свойств изделий.

Под воздействием внешних сил сначала металл деформируется упруго. При дальнейшем возрастании нагрузки деформация становится пластической, при этом в металле происходят необратимые внутренние изменения.

В поликристаллическом металле в связи с хаотичным расположением зерен вначале деформируются те из них, которые имеют благоприятную ориентировку по отношению к действующим напряжениям. При малых степенях деформации результат может наблюдаться в виде полос скольжения – параллельных линий, наблюдаемых в отдельных зернах в микроскоп. С увеличением степени деформации скольжение распространяется и на зерна с менее благоприятной ориентировкой. Форма зерен меняется, становится вытянутой (в соответствии с приложенной нагрузкой). Зерна поворачиваются, создается их преимущественная кристаллографическая ориентация – текстура. При этом в поликристаллическом металле возникает анизотропия. При очень больших степенях деформации (60% и более) происходит дробление зерен, что ведет к измельчению кристаллической структуры металла. Границы зерен как бы размываются, металл приобретает волокнистое строение.

С увеличением степени деформации возрастает сопротивляемость металла деформированию. Скольжению дислокаций препятствуют поля напряжений вокруг возникающих несовершенств строения. При пластической деформации возрастает количество точечных дефектов (вакансий и дислоцированных атомов) и, что более существенно, на несколько порядков увеличивается плотность дислокаций (до 10¹¹÷ 10¹² см против 10⁶÷ 10⁸ см^-2 в недеформированном металле). Распространению сдвиговой деформации при скольжении дислокаций препятствуют также граничные зоны зерен, протяженность которых тоже растет. Все эти изменения требуют все возрастающих усилий для дальнейшего деформирования. Упрочнение металла в результате пластической деформации (а в более широком смысле, и все выше описанные изменения в его строении, которые к этому приводят) называется наклепом или нагартовкой.

Наклепанный металл характеризуется (по сравнению с исходным) большей твердостью и прочностью, меньшей пластичностью и вязкостью. Уменьшается плотность, магнитная проницаемость, коррозионная стойкость, увеличиваются коэрцитивная сила, электросопротивление. В технике наклеп используют для объемного и поверхностного упрочнения металлических изделий.

В результате пластической деформации металл переходит в термодинамически неустойчивое состояние. Для его возвращения в устойчивое состояние необходим нагрев. При этом будет меняться структура металла и, как следствие, его свойства.

Процессы при нагреве деформированного металла подразделяются на возврат и рекристаллизацию.

Отдых – это процессы, связанные с перераспределением и частичным взаимным уничтожением точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов). Полигонизация – процесс, при котором дислокации самопроизвольно перемещаются в пределах зерна, частично аннигилируют и выстраиваются в стенки, что приводит к делению исходного зерна деформированного металла на полигоны – области с малой плотностью дислокаций (другое название – блоки или субзерна). Полигонизация в отличие от отдыха протекает только при определенных условиях – температуре и исходной степени деформации. Возврат практически восстанавливает физические свойства металлов, механические свойства при этом меняются незначительно.

Рекристаллизация первичная (рекристаллизация обработки) – процесс зарождения и роста в деформированном металле новых, более совершенных по строению зерен, приводящий к образованию новой микроструктуры взамен прежней. Центры рекристаллизации – субмикроскопические объемы с минимальным количеством дефектов, а значит, с минимальным запасом внутренней энергии, которые растут самопроизвольно за счет перехода атомов из окружающих деформированных зерен.

В результате первичной рекристаллизации твердость, прочность сплава понижаются, а пластичность и вязкость возрастают (по сравнению со свойствами деформированного металла), другими словами, механические свойства металла восстанавливаются, устраняется наклеп.

Чтобы рекристаллизация происходила, необходимо выполнение ряда условий:

· исходная степень деформации должна быть не меньшей некоторой минимальной, так называемой критической ε _кр (как правило, 3÷ 15%: для железа ε _кр равна 5÷ 6%, для меди около 5%, для алюминия 2÷ 3%);

· температура должна быть не меньше так называемой температуры начала рекристаллизации Т_рекр.

Температура рекристаллизации зависит от природы основного металла, наличия и количества примесей и легирующих элементов, а также исходной степени деформации. Установлено, что Т_рекр = α ·Т_пл, где Т_рекр и Т_пл – соответственно температура рекристаллизации и температура плавления сплава в градусах Кельвина, α – коэффициент.

Это так называемая формула А.А. Бочвара. Коэффициент α тем больше, чем больше в металле примесей и легирующих элементов. Для технически чистых металлов он составляет примерно 0, 4.

Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного металла до температуры выше Т_рекр, выдержке и последующем медленном охлаждении называется рекристаллизационным отжигом. Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной температуры рекристаллизации на 200÷ 300 ^оС.

Неравномерное увеличение размера некоторых зерен, приводящее к разнозернистости сплава, называется вторичной рекристаллизацией.

Собирательная и вторичная рекристаллизация приводят к снижению механических свойств, особенности вязкости.

Размер зерна после рекристаллизации зависит в основном

· от исходной степени деформации – максимальный размер наблюдается при критической степени деформации, а затем с ростом исходной степени деформации размер зерна уменьшается;

· от температуры рекристаллизационного отжига – чем она выше, тем крупнее зерно.

Варьируя эти характеристики, можно получать зерно нужного размера. Рекристаллизационный отжиг широко применяют для управления формой и размерами зерна, текстурой и свойствами металлов сплавов.

Различают холодную обработку металлов давлением, которая производится при температурах ниже температуры рекристаллизации, и горячую обработку металлов давлением, которая производится при температурах выше температуры рекристаллизации. В первом случае всегда происходит наклеп металла, т.е. его упрочнение. При горячей обработке давлением одновременно с деформированием протекают и процессы полигонизации и рекристаллизации, поэтому в зависимости от условий деформирования (скорость процесса, степень деформации, скорость охлаждения после завершения процесса) наклеп может устраняться полностью или оставаться частично (так называемый горячий наклеп).