Лекция 9

Тема № 5. «Разупрочнение деформированного металла при нагреве».

Процессы, происходящие при разупрочнении металлов при нагреве – отдых, полигонизация, рекристаллизация. Изменение структуры при отдыхе – условия прохождение отдыха. Изменение структуры при полигонизации – виды полигонизации. Температура рекристаллизации. Виды рекристаллизации – первичная, собирательная, вторичная. Процессы, происходящие при этих видах рекристаллизации, их влияние на свойства металлов и сплавов.

Структура холоднодеформированного металла, характеризующаяся повышенной плотностью дислокаций, вакансий и других дефектов, обладает повышенным запасом свободной энергии и является термодинамически неустойчивой. При нагреве такая структура будет самопроизвольно переходить в более устойчивое состояние с меньшим запасом энергии.

При повышении температуры различают следующие основные виды структурных изменений при нагреве наклепанного металла:

1. Отдых, включающий в себя возврат и полигонизацию;

2. Рекристаллизация, включающая в себя первичную, собирательную и вторичную рекристаллизации.

Под возвратом следует понимать процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов, а также некоторого перераспределения дислокаций без образования новых границ. Этот процесс происходит при невысоких температурах (до 0,1-0,2 Т_пл.).

При возврате происходит частичное восстановление (возврат) свойств металла без металлографически обнаруживаемых изменений структуры. Наиболее существенно на стадии возврата изменяется удельное электросопротивление, которое, в сравнении с наклепанным состоянием уменьшается на 20-30 %. Основной причиной восстановления свойств при возврате является уменьшение концентраций точечных дефектов. Избыточные вакансии и межузельные атомы погашаются при встрече или поглощаются дислокациями и границами зерен. На этой стадии частично устраняются и дислокации. Дислокации противоположных знаков притягиваются ианнигилируют.

При рассмотрения явления полигонизации различают две ее разновидности: стабилизирующую и предрекрестaллизационную. Первая наблюдается в слабoдеформированных металлах, вторая - в сильнодеформированных.

Стабилизирующая полигонизация, протекающая при нагреве слабодеформированных металлов, характеризуется перераспределением и частичной аннигиляцией дислокаций, формированием субзеренных границ и ростом субзерен. Дислокационный механизм стабилизирующей полигонизации наиболее наглядно объясняется на примере монокристаллов, деформированных изгибом и содержащих избыточное число краевых дислокаций одного знака (рис, 1а).

При нагреве дислокации под воздействием дальнодействующих упругих полей перегруппировываются. Дислокации разных знаков аннигилируют, а избыточные дислокации одного знака выстраиваются в энергетически более выгодные дислокационные стенки, перпендикулярные плоскостям скольжения (рис. 1б).

Полигонизация в металлах протекает при температурах 0,25 - 0,3 Т_пл, когда скорость диффузионных процессов заметно увеличивается. Поэтому формирование вертикальных дислокационных стенок происходит как за счет перегруппировавшихся дислокаций, так и в связи с их переползанием. Образовавшиеся вертикальные стенки дислокаций представляют собой малоугловые границы, которые делят кристалл как бы на отдельные кристаллические блоки или полигоны (откуда и полигонизация), свободные от дислокаций. Такие дислокационные стенки хорошо выявляются металлографически в виде ямок травлений в местах выхода каждой дислокации.

Рассмотренное представление о полигонизации, основанное на анализе этого процесса в слабо деформированном кристалле, без достаточных оснований было перенесено и на сильно деформированный металл. В настоящее время понятие полигонизации значительно расширено.

 

Рисунок 1 - Схема распределения дислокаций в кристалле после деформации (а) и стабилизирующей полигонизации (б)

 

 

а) б)

Рисунок 2 - Схема превращения ячеистой структуры сильно деформированного металла (а) в субзеренную(6) в результате предрекристаллизационной полигонизации.

 

В случае нагрева сильнодеформированного металла, в котором при деформации сформировалась дислокационная ячеистая структура (случай наиболее частый), полигонизация заключается в сплющивании дислокационных объемных сплетений (стенок ячеек) и превращения этих сплетений в плоские субграницы. При этом ячейки превращаются в субзерна (рис. 2).

Этот более сложный случай полигонизации включает в себя не только скольжение и переползание, но и поперечное скольжение винтовых дислокаций.

В отличие от слабодеформированного кристалла, в котором границы (полигонов) формируются только в процессе полигонизации, в более сильно деформированном кристалле ячеистая дислокационная структура определяет форму иразмер образующихся при полигонизации субзерен. Таким образом, при полигонизации ячеистой структуры образующиеся субзерна как бы наследуют расположение, форму и размер ячеек деформации.

Малоугловые границы, образовавшиеся при полигонизации слабодеформированного кристалла, являются малоподвижными исубзерна после такой полигонизации не растут. Отсюда иназвание: стабилизирующая полигонизация.

Субзерна, образовавшиеся на месте деформационных ячеек, отличаются большей кривизной и подвижностью, чем дислокационные стенки, образовавшиеся при полигонизации после слабой деформации. Такие субзерна нестабильны и склонны к укрупнению. Укрупнение субзеренможет совершаться двумя путями:

I) миграцией субграниц под влиянием стремления к уменьшению зернограничного натяжения или к уменьшению объемной энергии соседних субзерен;

2) путем коалесценции соседних субзерен с рассыпанием разделяющей их дислокационной границы.

В результате полигонизации частично уменьшаются внутренние напряжения, внесенные деформацией. Обычно комплекс механических свойств в процессе полигонизации чаще изменяется мало.

В результате полигонизации образуются иукрупняются субзерна внутри деформированных зерен, но форма зерен, вытянутых деформацией, не меняется. Только при дальнейшем повышении температуры в связи с увеличением диффузионной подвижности атомов развивается.

Рекристаллизация -это процесс полной или частичной замены одних зерен данной фазы другими зернами той же фазы, обладающими меньшей энергией.

В чистых металлах рекристаллизация протекает при температурах выше 0,4 Т_пл, а в сплавах - выше 0,6 Т_пл.

При первичной рекристаллизации, которая развивается первой, происходят зарождение ирост новых неискаженных равновесных зерен взамен вытянутых деформацией (рис. 3). Зародыши новых зерен образуется всегда в местах максимальной искаженности кристаллической решетка, созданных деформацией: на тройных стыках зерен, на границах зерен и двойников, на границах полос скольжения, около частиц других фаз. Механизм зарождения центров рекристаллизации тесно связан с процессами, протекающими при рекристаллизационной полигонизации. Образовавшиеся при полигонизации субзерна отличаются между собой по размерам и величине разориентировки. Большие по величине и более сильно разориентированные субзерна растут интенсивнее. Их малоугловые границы поглощают при своем движении дислокации ив результате превращаются в большеугловые высокоподвижные границы, что и характеризует окончание формирования центра (зародыша) рекристаллизации. Затем зародыши растут в результате перехода к ним атомов от деформированных участков. Рекристаллизованные зерна содержат значительно меньше дислокаций (10⁶ - 10⁸ см^-2), чем деформированные (10¹⁰ – 10¹² см^-2).

Таким образом, при нагреве наклепанного метала старое зерно не восстанавливается, впоявляется совершено новое, размеры которого могут существенно отличаться от исходного.

Измельчение исходного (до деформации) зерна приводит к понижению температуры начала рекристаллизации, так как в более мелкозернистом металле больше суммарная площадь высокоугловых границ, где зарождаются центры рекристаллизации, и больше накопленная при деформации энергия.

Процесс первичной рекристаллизации термодинамически выгоден, так как сопровождается уменьшением объемной свободной энергия за счет уменьшения плотности дислокаций.

В результате первичной рекристаллизация после больших степеней холодной пластической деформации образуется мелкозернистая структура (рис. 4).

Наименьшая температура, при которой начинается рекристаллизация, называется температурным порогом рекристаллизации. Для данного металла (сплава) она зависит в первую очередь от чистоты металла по примесям и от целого ряда других факторов, которые будут рассмотрены ниже.

 

а) б)

Рисунок 3 - Начальная стадия первичной рекристаллизации в технически чистом железе (а) и латуни (б)

Рисунок 4 - Мелкозернистая структура латуни, образовавшаяся в результате первичной рекристаллизации.

 

Зависимость температуры начала рекристаллизации от состава в двойных системах немонотонная и различная у разных сплавов. Только в однофазной области в интервале малых концентраций наблюдается непрерывный рост температуры порога рекристаллизации, причем с увеличением их концентрации температура начала рекристаллизации сначала растет очень сильно, а затем - замедляется.

Атомы примесей упруго притягиваются к дислокациям, образуя атмосферы Коттрелла. Эти примесные атмосферы мешают перераспределению дислокаций, необходимому для формирования центров рекристаллизации. Примеси тормозят не только зарождение, но и рост центров рекристаллизации, так как они притягиваются к границе зародыша. При нагреве металла до более высоких температур примесные атмосферы размываются тепловых движением, в результате чего становится возможным деформирование центров рекристаллизации и облегчается их рост.

Таким образом, чем чище металл, тем ниже порог рекристаллизации.

По сравнению с действием малых добавок на чистейший металл, когда сотые и десятые доли процента добавки могут повысить температуру начала рекристаллизации на сто градусов и более, увеличение содержания легирующих элементов в области больших концентраций на проценты я десятки процентов сравнительно слабо изменяют темпе­ратуру порога рекристаллизации. Соотношение температур начала рек­ристаллизация я плавления у твердых растворов выше, чем у чистых металлов, причем у однофазных сплавах-растворах величина Тр/Тпл. составляет максимум 0,6 (по сравнению с 0,25 - 0,40 у металлов).

В двухфазных сплавах увеличение объемной доли второй фазы приводят к возрастанию порога рекристаллизации.

Следует уяснить, что после окончания первичной рекристаллизация структура металла еще не становится стабильной. При увеличении времени выдержки или повышении температуры вслед за первичной, происходят собирательная рекристаллиация.

Под собирательной рекристаллиацией понимают процесс роста зерен одной фазы за счет других зерен этой же фазы, идущий в направлении приближения тройных стыков к равновесия» (120°), в направлений спрямления границ и уменьшения их кривизны. Процесс роста происходят передвижением высокоугловых границ таким образом, что зерна с вогнутыми границами "поедает" зерна с выпуклыми границами. Основной движущей силой собирательной рекристаллизация является стремление системы к уменьшению зернограничной (поверхностной) энергия благодаря уменьшении протяженности границ при росте зерна. Следует подчеркнуть, что зерен предпочтительного роста при собирательной рекристаллизации нет.

Примеси в металлах оказывают заметное влияние на собирательную рекристаллизации. Атомы растворенных примесей упруго притягива­ется к границе и движение ее (миграция) связана с протаскиванием за собой примесных атомов. Мигрирующая граница встречает на своем пути примесные атомы, распределенные в теле "поедаемого" зерна, примесь на границе накапливается, усиливая ее торможение.

Если мигрирующая граница встречает включения второй фазы, то она должна огибать эти включения и затем отрываться от них, что за­трудняет собирательную) рекристаллизацию. После отрыва границы от включений второй фазы их цепочка остается внутри растущего зерна.

Процессы первичной и собирательной рекристаллизация могут ид­ти одновременно, то есть они накладываются друг на друга.

В результате собирательной рекристаллизации вырастают крупные равновесные (полиэдрические) зерна (рис. 5), содержащие значительно меньше дислокаций (10⁶ - 10⁸ см^-2),чем деформированные (10¹⁰ - 10¹² см^-2).

В итоге рассмотренных процессов рекристаллизации наклеп прак­тически полностью снимается и свойства приближается к их исходным значениям (рис. б).

Как видно из графика, при рекристаллизации предел прочности и, особенно, предел текучести, резко снижается, а характеристики пластичности возрастает. Достигаемое разупрочнение объясняется сня­тием искажений решетки и резким уменьшением плотности дислокация.

Если в результате собирательной рекристаллизация вырастает слишком крупное зерно, это мотет быть причиной снижения пластичности металла (явление перегрева).

а) б)

Рис. 5. Структуры технически чистого железа (а) и латуни (б)

после собирательной рекристаллизации.

Важнейшее практическое значение рекристаллизации состоят в том, что она только позволяет восстановить структуру недеформированного металла, но дает возможность управлять величиной зерна, ко­торая оказывает большое влияниена механические и другие свойства металлов, (как вам уже известно, с уменьшением размера зерна их вязкость а прочностные характеристики возрастают).

Для того, чтобы управлять величиной зерна я, следовательно, пожучить необходимее свойства, необходимо знать, какие факторы оказывают влияние на эту характеристику структуры.

Рис. 6. Влияние нагрева на структуру и механические свойства метана, упрочненного деформацией.

 

К таким факторам относятся прежде всего температура рекристаллизационного отжига я его длительность, а также степень деформации, предшествовавшей нагреву. Понятно, что влияние этих факто­ров должно зависеть от природы основного металла, наличия я количества легирующих элементов и нерастворенных примесей. Ясно также, что размер рекристаллизированного зерна зависят от размеров зерна исходного.

Вторичная рекристаллизация, называе­мая иногда аномальной, заключается в преимущественном росте отдель­ных зерен, попавших в наиболее благоприятные условия роста. В ре­зультате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация может быть вызвана благоприятной для роста кристалло­графической ориентировкой отдельных зерен, меньшей, чем у других зерен, концентрацией дефектов, меньшим содержанием на границах примесей. Соответственно, в зависимости от условия, этот вид рекристаллизации может стимулироваться объемной или зернограничной энергией. Структура с разнозернистостью характеризуется пониженной пластичностью.

Влияние температуры рекристаллизации на размер зерна рассмот­рено выше и характеризуется графиком, приведенным на рис. 7а, из которого следует интенсивный рост зерна при увеличении этой температуры. При данной степени деформации Е и определенной темпера­туре размер зерна возрастает с увеличением продолжительности рекристаллизационного отжига, как это изображено на рис. 7 б.

Рис. 7. Влияние температуры, продолжительности отжига и

степени деформации на величину рекристаллизированного зерна (t₁<t₂<t₃; O_n и O_n^’ - продолжительности инкубационного периода; f и f^’- критические степени деформации).

 

Зависимость величины рекристаллизационного зерна, приведенная на рис. 7 в, объясняется следующим образом. Установлено, что зародыши рекристаллизации образуется в местах максимальных искажений кристаллической решетки. Количество таких мест с увеличением степени деформация возрастает, а значит, будет увеличиваться и число центров рекристаллизации. Поскольку при увеличения числа центров рекристаллизации, особенно после больших степеней деформация, . скорость их роста поя постоянной температуре изменяется незначительно, размер рекристаллизационных зерен с увеличением степени деформации должен уменьшаться.

Как видно из приведенной опытной зависимости, выдвинутая гипотеза подтверждается только при относительно больших степенях деформации - выше 5 - 15 %. При меньших степенях деформации величина зерна вообще не изменяется. И было понятно, почему после рекристаллизации металла, деформированного на 5 - 15 %, образуется столь крупное зерно, иногда во много раз превосходящее по размерам исходное.

Установлено, что после малых степеней холодной деформация (до 5 %) плотность дислокаций в деформированном металле повышается незначительно. Нагрев после такой деформации приводят, как правлю, к стабилизирующей полигонизации, затрудняющей последующие структурные изменения. В результате, нагрев, после таких степеней деформации, не вызывает роста зерна. Процесс ограничивается протекавшей в них полигонизацией.

Степень деформации (5 - 15 %), нагрев после, которой вызывает скачкообразный рост зерна, называется критической. При нагреве после критической: деформации также не происходит первичной рекристаллизации, характерной особенностью которой является зарождение и рост новых зерен. Нагрев после критической деформации вызывает рост одних исходных перекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних. Такой механизм кристаллизация, сходной со вторичной рекристаллизацией, объясняется неоднородностью деформации разных зерен при небольших степенях деформации.

В связи с этим при нагреве становится возможным рост менее де­формированных зерен, имеющих более низкое значение свободной энергии, за счет более деформированных, имеющих большую свободную энергия. При более высока степенях деформация протекает процесс первичной рекристаллизации.

В практике обработки металлов давлением следует избегать критической степени деформация, т.к. крупнозернистая структура, получаемая в результате последующего рекристаллизационного отжига, проводимого для снятия наклепа, обладает пониженной ударной вязкостью, Это требование должно регламентироваться технологическими инструкциями.