Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

венно сказываются на размере зерна, то это в значительной мере снижает ценность диаграмм рекристаллизации как количествен­ ных характеристик металла. Эти диаграммы дают скорее полуколичественные данные, позволяющие ориентироваться в том, как степень деформации и температура отжига влияют на размер зер­ на металла или сплава.

Разнозернистые структуры

После рекристаллизационного отжига в разных участках изде­ лия зерно может быть примерно одинаковым по размеру (напри­ мер, только мелким или только крупным), но может наблюдаться и нежелательная разнозернистость. К основным ее формам отно­ сятся следующие:

1 ) равномерная разнозернистость — закономерное чередование по всему объему крупных и мелких зерен;

2 ) зональная разнозернистость — расположение крупных зерен

вопределенных зонах изделия;

3)строчечная разнозернистость — вытянутость крупных зерен

обычно вдоль направления главной деформации; 4) островная разнозернистость — группы очень крупных или

очень мелких зерен, незакономерно распределенные по объему из­ делия.

Причины и условия появления разнозернистости весьма много­ образны и могут различаться даже в случае одного типа разнозернистости в разных сплавах и .изделиях.

Равномерная разнозернистость может возникнуть на стадии не­ завершенной вторичной рекристаллизации. Ее можно предотвра­ тить, проводя отжиг при температурах ниже температуры начала вторичной рекристаллизации, когда рекристаллизованная струк­ тура по всему объему получается мелкозернистой. Можно также повысить температуру или увеличить время отжига выше tBт. р, но тогда повсеместно получается крупнозернистая структура. При значительном превышении температуры отжига над ^вт. р струк­ тура получается мельче, чем после отжига при температуре вблизи

^ВТ. р (см. рис. 37).

Простейший случай зональной разнозернистости — возникно­ вение ее при критической деформации металла в определенных зо­ нах изделия. При сильной местной деформации степень деформа­ ции уменьшается от большой закритической, например у кромки пробитого отверстия, до нуля (вдали от этой кромки). В этом слу­ чае всегда какой-то участок изделия оказывается деформированным на критическую степень и здесь при отжиге вырастает круп­ ное зерно. Если технологически невозможно избежать критичес­ кой деформации, то предупредить разнозернистость можно, отка­ завшись от рекристаллизационного отжига и применяя только дорекристаллизационный отжиг.

Зональная разнозернистость, не связанная с критической де­ формацией, может возникать из-за того, что в отдельных зонах из­

90

делия деформированная матрица стабилизирована против первич­ ной рекристаллизации. Такую стабилизацию вызывают прежде всего дисперсные частицы избыточных фаз. Эти частицы сильно тормозят миграцию малоугловых границ и не дают субзернам превратиться в зародыши рекристаллизации. В результате число центров первичной рекристаллизации оказывается резко умень­ шенным. Зерна же из этих центров растут сравнительно легко, так как высокоугловые границы значительно слабее сдерживаются дис­ персными частицами, чем малоугловые. Дисперсные частицы из­ быточных фаз образуются при выделении из пересыщенного твер­ дого раствора во время горячей деформации и другими путями. Они эффективны только тогда, когда не растворяются при нагре­ вах до температуры отжига.

Другая причина стабилизации деформированной матрицы — возврат в процессе горячей деформации, если горячая обработка давлением сама не сопровождалась рекристаллизацией и струк­ тура горячедеформированного сплава только полигонизовывалась. Еще одной причиной стабилизации деформированной матрицы мо­ жет быть ее текстуровавность: при очень близкой ориентации большинства субзерен центры рекристаллизации возникают из тех немногочисленных субзерен, которые сильно отличаются по ориен­ тировке от соседей.

Если рассмотренные факторы стабилизируют деформированную матрицу в равной мере по всему объему изделия, то при отжиге получается грубозернистая (из-за малого числа центров рекри­ сталлизации), но :не разнозернистая структура. Если же в разных зонах изделия степень стабилизации разная, то при отжиге возни­ кает разнозернистость. Причинами неодинаковой стабилизации де­ формированной матрицы могут быть разная степень и разный ха­ рактер деформации (например, ламинарный в центре и турбулент­ ный на периферии прессуемого прутка).

Строчечное расположение дисперсных частиц в деформирован­ ном изделии может вызвать строчечную разнозернистость при рекристаллизационном отжиге.

Зональная ликвация в слитке приводит к макронеоднородности по химическому составу в деформированном изделии, и в участках разного состава с разной скоростью идут первичная, собиратель­ ная и вторичная рекристаллизации, вызывая зональную или ост­ ровную разнозернистость.

Регулируя условия кристаллизации слитка, режим его гомогенизационного отжига, условия обработки давлением, а также сос­ тав сплава, можно бороться с появлением разнозернистости. Из-за многообразия причин и форм проявления разнозернистости для конкретных изделий приходится разрабатывать свою технологию производства, обеспечивающую получение равномерной зернистой структуры.

В большинстве случаев желательно получить при отжиге не только равномерную, но и мелкозернистую структуру. Если металл (сплав) не имеет полиморфных превращений, то крупнозерни-

91

стость, полученную при рекристаллизационном отжиге, никакой последующей термообработкой не устранить, так как она соответ­ ствует состоянию с пониженной свободной энергией.

Рекристаллизационный отжиг используют и для намеренного по­ лучения крупнозернистой структуры, бикристаллов и монокри­ сталлов, которые необходимы для исследовательских работ и спе­ цифических применений в технике. Монокристаллы и бикристал­ лы получают так называемым методом деформация — отжиг, при­ меняя критическую деформацию и особые режимы отжига.

§ 13. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ПРИ ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ

И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

При отжиге наклепанного металла все свойства изменяются обратно тому, как они изменялись при холодной доформации, а именно показатели сопротивления деформированию (пределы проч­ ности и текучести, твердость) уменьшаются, показатели пластично­ сти (относительное удлинение и сужение) возрастают, а физи­ ческие и химические свойства приближаются к своим значениям до деформации.

1.Разупрочнение при отжиге

Взависимости от температуры и продолжительности отжига в металле с той или иной .полнотой проходят разные структурные из­ менения и соответственно по-разному идет разупрочнение.

На рис. 47 схематично показаны три типовых случая изменения

Вреяя оттсга

Ри'С. 47. Схемы зависимостей прочностных свойств наклепанного металла от времени изотермического отжига

прочностных свойств с увеличением продолжительности отжига при постоянной температуре. В инкубационный период до начала первичной рекристаллизации, когда происходит только возврат, наклеп может практически совсем не уменьшаться (кривая /), ча­

92

стично уменьшаться (кривая 2) и полностью сниматься (кривая 3). Характер изменения прочностных свойств до начала рекри­ сталлизации полностью соответствует кинетике возраста (см. рис. 15): с увеличением времени возврата скорость снижения прочно­ стных свойств уменьшается. Если по окончании возврата прочно­ стные свойства еще не восстановились, то последующая первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп. При этом с увеличе­ нием времени отжига скорость снижения прочностных #свойств сначала возрастает, затем некоторое время остается неизменной и затем снижается в полном соответствии с сигмаидальной кривой

нарастания рекристаллизованного объема (см. рис. 2 0 ).

Рис. 48. Уменьшение твердости наклепанного чистого алюминия с уве­ личением времени отжига при разных температурах. Исходное состоя­ ние— холодная деформация растяжением на 2Ю% (Лоран, Батисс)

На рис. 48 .видно, как твердость наклепанного алюминия при изотермическом отжиге вначале снижается с затуханием (идет возврат), после чего сначала с ускорением, а затем с замедлением

93

(рис. 49). В практическом отношении важно, что нагартованные алюминиевомагниевые сплавы значительно резупрочняются даже при комнатной температуре, о чем свидетельствуют следующие данные для холоднокатаного магналия, содержащего 6 % Mg:

Типовые случаи зависимости прочностных свойств от темпера­ туры отжига при постоянной его продолжительности, схематично показаны на рис. 50. До температуры начала рекристаллизации

Ря<с. 50. Схемы зависимостей прочностных свойств на­ клепанного металла от температуры отжига

наклеп может полностью сохраняться (кривая 1), частично сниматься (кривая 2) и полностью устраняться (кривая 3). В пер­ вом случае интенсивное разупрочнение начинается при температу­ ре начала первичной рекристаллизации, а во втором и в третьем

по началу разупрочнения нельзя определить температуру ^ - П о э ­

тому хорошо известный метод определения t jj по измерению прочностных свойств далеко не всегда может быть использован.

Если в интервале первичной рекристаллизации прочностные свойства сильно падают, то в интервале собирательной рекристал­ лизации они снижаются слабо.

Почти полное сохранение наклепа ниже fjjнаблюдается у меди, никеля и серебра, заметное снятие наклепа — у алюминия и желе­ за, сильное — у многих тугоплавких металлов с о. ц. к. решеткой. Например, у наклепанного вольфрама при отжиге до температуры

Прочностные свойства зависят от дислокационной структуры и размера зерен. Если во время дорекристаллизационного отжига протекает только отдых и, следовательно, главные структурные из­ менения состоят в уменьшении концентрации точечных дефектов,

94

а плотность дислокаций очень мало снижается, то упрочнение от деформации в основном сохраняется. Если же при дорекристаллизационном отжиге развивается полигонизация, связанная с форми­ рованием и укрупнением субзерен и очищением их объема от дис­ локаций, то прочностные свойства могут существенно снизиться.

Предел текучести ат связан с диаметром субзерен d соотноше­ нием Холла — Петча:

В соответствии с этим соотношением рост субзерен при полигонизации приводит к снижению предела текучести при дорекристаллизационном отжиге.

Первичная рекристаллизация, резко снижая плотность дисло­ каций (с 1 0 п—1 0 12 до 106—10 8 см-2) и «выметая» стенки субзерен, вызывает сильное разупрочнение, пропорциональное доле рекристаллизованного объема. С повышением температуры отжига меж­

ду t "и/р (рис. 50) или с увеличением времени отжига при постоян­

ной температуре (правее Тр на рис. 47) прочностные свойства ин­ тенсивно снижаются из-за первич­

ветствии с соотношением Холла — Петча [в этом случае в формуле (13) d — диаметр зерен].

Разная способность к разупрочнению при дорекристаллизационном отжиге связана с разной склонностью к полигонизации. У металлов с одним типом решетки легкость, с какой идет полигони­ зация, зависит от энергии дефектов упаковки (см. § 7). Например,

уалюминия энергия дефектов упаковки значительно больше, чем

умеди, полигонизация развивается сильнее, что и приводит к зна­ чительному разупрочнению при дорекристаллизационном отжиге. В некоторых тугоплавких о. ц. к. металлах, например молибдене и вольфраме, полигонизация развивается особенно активно, и по-

95