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

мало дислокаций. Хорошо оформленные ячейки с плоскими стен­ ками обычно называют субзернами и структуру соответственно на­ зывают субзеренной.

Средняя плотность дислокаций при увеличении степени дефор­ мации возрастает в результате роста их плотности в сплетениях на границах, а не внутри ячеек.

Размер ячеек с увеличением степени деформации уменьшается слабо, особенно в области средних и больших деформаций. Обычно он находится в пределах 0,3—3 мкм. Из-за избытка в границах ди­ слокаций одного знака соседние ячейки и субзерна разориентированы на углы, находящиеся в интервале от нескольких секунд до нескольких градусов.

В образовании ячеистой структуры большую роль играют про­ цессы поперечного скольжения и переползания дислокаций. Поэ­ тому при высоких температурах деформирования образуется более совершенная ячеистая структура с ячейками большего размера.

При пониженной энергии дефектов упаковки затруднено попе­ речное скольжение растянутых дислокаций, что препятствует об­ разованию ячеистой структуры. Поэтому в разных металлах и сплавах, отличающихся по величине энергии дефектов упаковки, имеется разная склонность к образованию при пластической дефор­ мации ячеистой структуры. Ячеистая структура отмечена после холодной деформации в Al, Ni, Си, Ag, Аи, Fe, Мо и многих спла­ вах. В нержавеющей аустенитной стали, а-латуни, однофазных алюминиевых и кремнистых бронзах, для которых характерны очень низкая энергия дефектов упаковки и стремление сильно ра­ стянутых дислокаций оставаться в своих плоскостях скольжения, ячеистая структура или совсем не наблюдалась, или же выявля­ лась только при больших степенях деформации.

При пластической деформации возрастает концентрация точеч­ ных дефектов — вакансий и межузельных атомов. Точечные дефек­ ты генерируются порогами скользящих винтовых дислокаций, при аннигиляции краевых дислокаций противоположного знака в сосед­ них параллельных плоскостях скольжения и возникают по другим причинам. С повышением температуры деформирования неравно­ весный избыток точечных дефектов уменьшается из-за ускорения стока их к дислокациям и границам зерен, происходящего в процес­ се деформирования.

Сувеличением степени пластической деформации одновременно

сповышением плотности растянутых дислокаций растет и число дефектов упаковки.

Таким образом, теоретический анализ, прямые и косвенные экс­ периментальные методы показывают, что с увеличением степени

пластической деформации растет плотность дислокаций и избыток дислокаций одного знака, возрастает число порогов и диполей, мо­ жет формироваться ячеистая структура, увеличивается концентра­ ция точечных дефектов и дефектов упаковки. Все эти изменения внутреннего строения кристаллитов — важнейший результат пла­ стической деформации металлов и сплавов.

40

§ 6. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ПРИ ХОЛОДНОЙ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ

1. Наклеп

Обработка давлением вызывает изменения различных механи­ ческих, физических и химических свойств металла. Обычно под на­ клепом понимают упрочнение при обработке давлением. В более широком понимании наклеп — это совокупность структурных изме­ нений и связанных с ними изменений свойств при пластической де­ формации.

С увеличением степени холодной деформации показатели сопро­ тивления деформированию (предел прочности, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (рис. 13). При деформировании ме­

и более.

Упрочнение вызвано теми структурными изменениями, которые возникают в металле при обработке давлением. Если не рассмат­ ривать механизмы упрочнения и характер дислокационной струк­ туры, то в общем можно сказать, что рост показателей сопротивле­ ния деформированию и снижение показателей пластичности с уве­ личением степени предварительной холодной деформации происхо­ дят в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено сколь­ жение уже имеющихся, а также генерирование и скольжение «све­ жих» дислокаций.

Границы ячеек и субзерен служат барьерами для скользящих дислокаций. Уменьшение расстояний между этими барьерами

41

(уменьшение размера ячеек) способствует упрочнению при уве­ личении степени обжатия.

С наклепом связаны заметные, а иногда и весьма значительные изменения физических свойств.

Электроны проводимости рассеиваются точечными дефектами и дислокациями. Поэтому увеличение числа дефектов решетки при холодной пластической деформации вызывает рост электросопро­ тивления. В то время как механические свойства при больших де­ формациях изменяются в несколько или десятки раз, электросопро­ тивление у чистых металлов обычно возрастает на 2—6%.

У сплавов наблюдаются разнообразные по величине и даже разные по знаку изменения электросопротивления при холодной де­ формации. Электросопротивление неупорядоченных твердых рас­ творов изменяется при холодной деформации примерно так же, как и у чистых металлов. Если же раствор отличается дальним поряд­ ком, ближним порядком или ближним расслоением, то пластиче­ ская деформация более сложным образом изменяет электросопро­ тивление.

Возникновение при отжиге дальнего порядка (сверхструктуры) со строгой периодичностью в расположении атомов разного сорта сильно понижает электросопротивление. Холодная деформация раз­ рушает дальний порядок и соответственно сильно увеличивает элек­ тросопротивление.

У многих сплавов, содержащих переходные металлы, в том чис­

О20 ЬО 60 80 вится больше, чем в статистически не­

деформации нарушается свойственное /(-состоянию распределение атомов разного сорта и сплав переводится в состояние нееупорядоченного твердого раствора.

Дислокации закрепляют границы доменов в ферромагнетике в

42

тем самым затрудняют его намагничивание и размагничивание, ко­ торые осуществляются путем перемещений границ доменов. По­ этому с ростом плотности дислокации при увеличении степени хо­ лодной деформации снижается магнитная проницаемость и рас­ тет коэрцитивная сила.

Холодная деформация изменяет термоэлектродвижущую силу. В термопаре, состоящей из наклепанного и того же самого, но отожженного металла, термо-э. д. с. возрастает с увеличением сте­ пени холодной деформации одного из термоэлектродов.

Такое важное свойство, как модуль упругости, при наклепе ме­ няется столь незначительно, что практически этими изменениями можно пренебречь.

Холодная обработка давлением повышает химическую актив­ ность металла, ускоряя, например, растворение его в кислоте, и снижает стойкость против коррозии. Выходы дислокаций на по­ верхность металла являются центрами его растворения в коррози­ онной среде.

2. Анизотропия свойств

Свойства холоднодеформированного металла по разным направ­ лениям различны. Анизотропия свойств обусловлена двумя причи­ нами: волокнистостью структуры и текстурой деформации.

По длине разрывного образца, вырезанного поперек волокна, число межзеренных границ значительно больше, чем в образце, вы­ резанном вдоль волокна. На межзеренных границах сосредоточены примеси и неметаллические включения, например окисные плены. Естественно, что механические свойства металла вдоль и поперек волокна разные. Поэтому при контроле полуфабрикатов, получен­ ных обработкой давлением, различают «долевые» и «поперечные» образцы и соответственно «долевые» и «поперечные» свойства. Обычно показатели пластичности и ударная вязкость на попереч­ ных образцах ниже, чем на долевых.

Как известно из курса кристаллографии, каждый кристаллит анизотропен, его свойства зависят от кристаллографического на­ правления. В металле с хаотичной ориентировкой кристаллов свой­ ства по всем направлениям статистически усредняются. Такой ме­ талл квазиизотропен. В текстурованном металле с предпочтитель­ ной ориентировкой кристаллов имеются направления, вдоль кото­ рых одни свойства усилены, другие ослаблены. Поэтому текстура деформации обусловливает анизотропию свойств.

§ 7. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИ ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

Холодная обработка давлением приводит металл в неравновес­ ное состояние с повышенной свободной энергией. Наклепанный ме­ талл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное со­ стояние с меньшей свободной энергией. Восстановительные процес­ сы сводятся в основном к уменьшению общего количества дефек­

43

тов кристаллической решетки и их перераспределению в кристалли­ тах с образованием более равновесных конфигураций. Эти процес­ сы совершаются путем перемещений атомов и решающее влияние на них оказывает температура.

У большинства промышленных металлов и сплавов, исключая легкоплавкие, при комнатной температуре подвижность атомов не­ достаточна, чтобы обеспечить активное развитие восстановитель­ ных процессов, уменьшающих свободную энергию наклепанного ма­ териала. Чтобы частично или полностью устранить наклеп за прак­ тически приемлемое время, приходится проводить нагрев — отжиг после холодной обработки давлением.

В зависимости от температуры и продолжительности отжига в холоднодеформированном металле протекают различные структур­ ные изменения, которые подразделяют на процессы возврата и про­ цессы рекристаллизации.

После нагрева наклепанного металла при сравнительно низких гомологических1 температурах (для металлов обычной чистоты — ниже ~ 0,3 Тил) под световым микроскопом не наблюдаются изме­ нения формы и размеров деформированных зерен, не обнаружива­ ются новые, рекристаллизованные зерна. Однако такой дорекристаллизационный отжиг вызывает заметное изменение некоторых свойств металла, а с помощью рентгеноструктурного анализа, элек­ тронной микроскопии и других прямых и косвенных методов фик­ сируются изменения во внутреннем строении деформированных зерен.

Совокупность любых самопроизвольных процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристал­ лах до начала рекристаллизации называют возвратом. Этот соби­ рательный термин, относящийся к весьма разным по своему меха­ низму явлениям, используют в связи с тем, что некоторые свойства наклепанного металла при дорекристаллизационном отжиге частич­ но или полностью возвращаются к значениям свойств перед холод­ ной деформацией.

Если возврат протекает без образования и миграции субграниц внутри деформированных зерен, то его называют возвратом первого рода, или отдыхом. Если же при возврате внутри деформированных кристаллитов формируются и мигрируют малоугловые границы, то его называют возвратом второго рода, или полигонизацией.

I•

1. Отдых

Наши знания о механизме отдыха базируются главным образом не на прямых структурных наблюдениях поведения дефектов кри­ сталлов, а на результатах изучения кинетики изменения электросо­ противления, выделения накопленной при наклепе энергии и дру­ гих косвенных данных.

1 Гомологической или соответственной температурой называют отношение данной температуры к температуре начала плавления по абсолютной шкале.

44