3.7. Изменение свойств наклепанного металла при отжиге

Металл после холодной деформации является наклепанным. Он находится в неравновесном состоянии и стремится перейти в равновесное состояние с меньшей свободной энергией. Неравновесное состояние – результат неоднородного напряженного состояния и неравномерного распределения энергии.

Всё это может быть устранено образованием новых, менее искаженных зерен и соединением многих зерен в одно зерно, обладающее меньшей поверхностью на единицу объема. Эти процессы происходят при нагреве. При нагреве происходит переход к более стабильной структуре. Металл разупрочняется.

При нагреве до сравнительно низких температур – примерно 0,3 в металле происходит процесс возврата (отдыха), при котором наклепанный металл частично разупрочняется (здесь - температура плавления металла по Кельвину). Прочность при возврате снижается на 10…30%. Пластичность повышается. Структура сохраняется, то есть зерна остаются вытянутыми.

При повышении температуры металла происходит рекристаллизация. В основном температура рекристаллизации зависит от температуры плавления и для металла обычной чистоты .

При рекристаллизации металл полностью разупрочняется. Пластичность повышается, а прочность снижается до уровня, соответствующего ненаклепаному состоянию (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Изменение свойств холоднодеформированного металла после отжига (проволока стальная; наклеп волочением; продолжительность отжига мин)

При рекристаллизации изменяется структура: происходит зарождение новых зерен равноосной формы; волокнистое строение и связанная с ними механическая анизотропия исчезают. Новые равноосные зерна отличаются от старых вытянутых зерен более совершенным, менее искаженным внутренним строением. Вместе с зарождением зерен происходит их рост.

График зависимости размера зерен S_к к моменту окончания рекристаллизации от температуры отжига t˚ и степени холодной деформации называют диаграммой рекристаллизации первого рода (рис. 3.17) [11].

Чем выше степень деформации , тем сильнее измельчены зерна при деформации и в результате рекристаллизации размер зерен увеличивается, но незначительно (при больших ). Однако при очень малых малы искажения

Рис. 3.17. Диаграмма рекристаллизации первого рода

решетки; границы между зернами не нарушены; рекристаллизация не происходит. Площадь зерен S_к мала и после отжига.

Степени деформации, при которых зерна получаются особенно крупными (пики на графиках), называются критическими - = 5…7%. Так как крупнозернистый металл имеет пониженную пластичность, необходимо избегать критических степеней деформации.

3.8. Горячая обработка металлов давлением (общие сведения)

Различают три вида деформации [11]: 1) холодная; 2) полугорячая; 3) горячая.

Холодная деформация происходит при температуре металла ниже . Металл упрочняется; полностью отсутствуют процессы разупрочнения (возврат, рекристаллизация); не происходит залечивания внутри- и межзеренных нарушений. В результате холодной деформации прочность повышается; пластичность снижается; при увеличении степени деформации появляется текстура.

Горячая деформация происходит при температуре больше . Одновременно происходят процессы, действующие на сопротивление деформации в противоположных направлениях, то есть упрочнение и разупрочнение за счет возврата и рекристаллизации. Оба процесса протекают во времени с различной скоростью. Процесс разупрочнения протекает со скоростью меньшей, чем скорость деформации в промышленных условиях. Кристаллизация идет после завершения горячей обработки, а заготовка остынет до температуры ниже достаточно долго (десятки минут). Структура металла изделия в результате получается практически недеформированной.

Полугорячая деформация происходит при температуре . Подогрев до невысоких температур не вызывает окисления поверхности, что характерно для горячей деформации. Однако заметно повышается пластичность и снижается сопротивление деформации . При полугорячей деформации рекристаллизация и разупрочнение происходят менее интенсивно. Структура получается рекристаллизованной с наличием деформированной.

Термин «горячая обработка» условен. Обработка свинца при комнатной температуре сопровождается рекристаллизацией и, следовательно, тоже практически горячая. Свинец: . Железо: - холодная деформация.

Рассмотрим подробнее горячую деформацию. При повышении температуры существенно увеличивается пластичность и снижается сопротивление деформации. Это позволяет вести штамповку, ковку, прокатку с большими степенями деформации при меньших усилиях и расходе энергии. Без разрушения металла.

Исходный материал для горячей деформации – слиток (для свободной ковки; для деформирования в черновых клетях стана горячей прокатки). Он имеет высокую неоднородность зерен по величине и форме в разных зонах; химическую неоднородность; пустоты; газовые пузыри. При горячей деформации в результате диффузии химический состав несколько выравнивается; первичные кристаллы (дендриты) разрушаются и измельчаются; пустоты сжимаются и завариваются. Образуется волокнистая макроструктура горячедеформированного металла. Макроструктура полностью преобразуется после шести-, восьмикратной вытяжки (при прокатке) или уковке (при ковке). Вытяжка или уковка равна отношению площади поперечного сечения деформированной заготовки к площади сечения исходной заготовки.

Макроструктура – вытянутость зерен в направлении максимальной деформации. Видна при двукратном увеличении. Микроструктура видна при 5-10 кратном увеличении. По ней определяют размер зерен.

Пластичность деформированного металла выше, чем литого. Прочность тоже немного повышается.

Механизм пластической деформации при горячей обработке сходен с механизмом при холодной: деформация осуществляется внутрезеренным скольжением; межзеренным взаимным перемещением; поворотом зерен.

Пластичность повышается при горячей деформации за счет того, что возникающие микротрещины залечиваются в процессе деформирования.

Величина зерна после горячей обработки и свойства металла зависят от температуры, степени и скорости деформации. В процессе обработки одновременно происходит разрушение зерен в результате деформации и зарождение новых зерен в результате рекристаллизации. Если горячая деформация осуществляется за несколько этапов (несколько ударов молота; несколько проходов при прокатке), то величина зерен определяется в основном температурой и степенью деформации в последнем проходе, то есть режимом конца горячей обработки давлением.

Пусть S_к – средняя площадь зерна. График зависимости S_к = - диаграмма рекристаллизации второго рода (рис. 3.18). Здесь: - степень деформации, а - температура конца горячей обработки давлением. Напомним, что диаграмма рекристаллизации первого рода - зависимость S_к от степени предшествовавшей холодной деформации и температуры последующего отжига. Диаграммы первого и второго рода похожи.

Рис. 3.18. Диаграмма рекристаллизации второго рода (малоуглеродистая сталь; горячая прокатка)

Критическая степень деформации (пики на графиках) - это деформация при которой получим крупные зерна. Она соответствует примерно 8…15%. Критическая температура – 750…850˚С. При температуре конца прокатки 900-1000˚С зерно мелкое. В этом температурном диапазоне величина зерна слабо зависит от степени деформации; в основном от скорости охлаждения. При очень высоких температурах зерно крупное, так как металл достаточно долго находится при высокой температуре после деформации. В большинстве случаев желательно получение мелкозернистого металла, обладающего лучшими механическими свойствами.