Лекция 8 пластическая деформация поликристаллов

Пластическая деформация поликристаллических образцов с ГЦК решеткой имеет ряд важных особенностей, но и в них основные элементы картины деформации, рассмотренные на примере монокристаллов, сохраняются. Поликристалл принципиально отличается наличием в его структуре высокоугловых границ. Поликристалл можно рассматривать как совокупность произвольно ориентированных монокристаллов (зерен), отделенных друг от друга высокоугловыми границами. При растяжении такого поликристалла внутри каждого зерна вдали от границ картина на начальных стадиях пластической деформации должна быть такой же, как она была бы, если бы это зерно деформировалось отдельно. Из-за разной ориентации зерен деформация в них начинается не одновременно и развивается неоднородно.

В первую очередь скольжение идет в благоприятно ориентированных зернах, внутри которых имеется система легкого скольжения, расположенная так, что в ней действуют максимальные касательные напряжения. В этих зернах некоторое время наблюдается типичное легкое скольжение, сопровождающееся появлением длинных тонких линий. Дислокации внутри благоприятно ориентированных зерен на начальных стадиях деформации скользят без больших помех на большие расстояния и многие из них доходят до границ зерен. Последние, как известно, являются эффективными барьерами для дислокаций, которые тормозятся здесь, образуя скопления (рис. 41).

Рисунок 41 – Скопления дислокаций у границ зерна

Вокруг скоплений возникают поля упругих напряжений, которые действуют на границы и прилегающие к ним участки соседних зерен в дополнение к приложенным извне напряжениям. В этих условиях могут начать работать дислокационные источники в приграничных областях. Так происходит эстафетная передача деформации в поликристалле. Деформация начинается, прежде всего в зернах, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к действующей нагрузке, т.е. под углом 45°. Возникают максимальные касательные напряжения, вызывающие пластическую деформацию.

После небольшой степени пластической деформации в отдельных зернах вообще не наблюдаются линии скольжения, т.е. деформация еще не началась, в других – видны параллельные полосы скольжения, характерные для первой стадии, в третьих – наблюдаются пересекающиеся полосы скольжения, – что присуще 2-й стадии упрочнения, в четвертых – волнистые полосы скольжения, свидетельствующие о поперечном скольжении, характерные для третьей стадии упрочнения.

В латуни кроме линии сдвига образуются двойники, т.е. происходит деформация двойникованием. Двойники в структуре наблюдаются в виде областей, ограниченных параллельными полосами. Следует различать двойники отжига и двойники деформации. В структуре латуни присутствуют и те и другие. Двойники отжига более крупные по размерам и отличаются окраской от зерен, в которых они образовались: двойники деформации - более узкие и мало отли­чаются по окраске от зерен.

При дальнейшем увеличении степени деформации число зерен с пересекающимися и волнистыми полосами скольжения увеличивается, вместе с тем наблюдается вытягивание зерен и их разворот в направлении деформации, в результате чего формируется текстура деформации. При больших степенях деформации (ε = 70 – 90%) из-за больших искажений кристаллической решетки травимость микрошлифа внутри и на границе зерна мало отличается, вследствие чего границы зерен плохо различимы, – структура приобретает волокнистое строение. При увеличении степени деформации разница в различных степенях упрочнения отдельных зерен сглаживается, – они деформируются по второй и третьей стадии упрочнения.

На кривой упрочнения поликристаллического металла стадии упрочнения не так сильно выражены, как на кривой упрочнения монокристалла, особенно первая стадия легкого скольжения

Объясняется это ограничением легкого скольжения границами зерен и быстрым развитием множественного скольжения. Если сопоставлять кривые деформационного упрочнения моно- и поликристалла из одного металла, то легко убедиться, что большая часть этой кривой для поликристалла соответствует напряжениям, которые необходимы для перехода к третьей стадии монокристалла (рис. 42).

Если в ГЦК металлах скольжение осуществляется по 12 системам скольжения, то в ОЦК по 48 системам скольжения. Поэтому уже при малых степенях деформации наряду с линейным скольжением, происходит множественное скольжение в пересекающихся плоскостях, а также поперечное, вызванное

Рисунок 42 – Кривая упрочнения моно - и поликристаллических образцов из одного металла

переходом винтовых дислокаций из одних плоскостей скольжения в другие. В микроструктуре технически чистого железа наблюдается только вытягивание зерен и поворот. При дальнейшем увеличении степени деформации в образцах технически чистого железа происходит все более сильное вытягивание зерен и их дальнейший поворот в направлении деформации. Полосы скольжения в этих образцах не видны. Их можно выявить только после специального травления (рис.43).

Рисунок 43 – Структура технически чистого железа после больших степеней деформаций

ХОЛОДНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ СТАЛИ

Холодная деформации, которой подвергается, как правило, горячедеформированная сталь, проводится для получения стальных изделий нужной формы и размера с заданной чистотой поверхности. Существует несколько способов холодной деформации стали - прокатка, волочение, экструзия, штамповка, каждый из которых производится на специальном оборудовании. Холодная прокатка осуществляется на специальных станах. Мало- и среднеуглеродистые стали прокатывают на непрерывных многоклетьевых, труднодеформируемые — на одноклетьевых, легированные, в том числе нержавеющие,— на реверсивных станах. При прокатке широких полос малой толщины используют многовалковые станы.

Деформацию волочением применяют при производстве изделий малых сечений и относительно большой длины (проволоки, тонкостен­ных труб малого диаметра). Волочение горячекатаных прутков осу­ществляют с целью повышения точности размеров и качества поверх­ности (этот процесс еще называют калибровкой). Калибровке подвер­гают также катанку и трубы, получаемые горячей прокаткой или прессованием. Волочение позволяет увеличить диаметр труб (раздача труб волочением). При экструзии металл протягивается через спе­циальные матрицы — фильеры. Этим способом можно получить изде­лия любого профиля. Холодной штамповкой листовой стали изготав­ливают полые изделия. К основным операциям холодной штамповки относятся гибка, свертка, вытяжка, обжим, раздача.

Упрочнение стали при холодной деформации

В процессе холодной деформации сталь значительно упрочняется, поэтому холодная прокатка, волочение, экструзия — весьма эффек­тивные способы повышения прочности стали. С помощью холодной деформации в изделиях специального назначения удается повысить прочность до 3000 МПа и выше.

Способность стали к деформационному упрочнению в процессе холодной пластической деформации характеризуется показа­телем деформационного упрочнения п_у, который определяется экспериментально при испытаниях на растяжение:

где d₀ и d_в - соответственно диаметры образца до испытания и в мо­мент максимальной нагрузки.

Упрочнение стали начинается после окончания упругой стадии деформации, когда в металле происходит множественное скольжение дислокаций и тормозится их движение. Величина пластической дефор­мации е, приводящей к генерированию дислокаций в стали, опреде­ляется выражением

,

где σ — текущее напряжение; σ_т — предел текучести; Е — модуль сдвига стали.

Плотность дислокаций с вектором Бюргерса Ь, образующихся при пластической деформации, пропорциональна отношению е/Ь.

Напряжение течения (предел текучести) стали зависит от плотности дислокаций р_┴:

Здесь σ_i — сопротивление решетки пробегу дислокаций; G — модуль сдвига стали.

При прохождении через клети прокатного стана с увеличением степени деформации сталь упрочняется постепенно, что приводит к возрастанию в последующих клетях деформирующих усилий. Следует отметить, что упрочнение стали растет непропорционально увеличе­нию обжатия: оно наиболее сильно развивается на начальных этапах деформации (до 20 %), затем его интенсивность снижается.

Изменение формы зерен стали

Форма зерен в холоднодеформированной стали определяется спо­собом деформации (рис. 44). В исходном состоянии после горячей деформации форму зерен приближенно можно считать равноосной. При холодной прокатке она изменяется по мере увеличения степени деформации, причем по высоте заготовки происходит обжатие, вдоль направления прокатки — удлинение и в поперечном направлении — уширение (рис. 44, а). При рассмотрении изменения формы зерен примем систему координат: ось х — направление прокатки; ось у — направление по высоте заготовки; ось z —- направление по ширине заготовки. Допустим, что объем каждого зерна в процессе прокатки не изменяется. Зерно в ходе деформации сохраняет форму эллипсоида, размер осей которого постоянно изменяется. Эллипсоид описывается уравнением

,

где х, у, z — текущие координаты любой точки поверхности зерна; а, Ь, с—полуоси эллипсоида.

В результате математической обработки экспериментальных дан­ных установлена аналитическая зависимость формы зерна от степени деформации стали (размеров зерна в направлениях х, у, z):

где D_х,, D_у,, D_z — оси эллипсоида; А, В, С, т, п, / — параметры, зависящие от состава стали. Для доэвтектоидной стали, имеющей ферритную структуру, характерны следующие параметры: А = 7,47; В = 5,80; С = (5—17); т = 0,0123; п = 0,0182; l = 0,0059. Форму­лы дают возможность в любой момент прокатки по известной степени деформации определить размер зерна, а изменение его формы в процессе деформации описывается уравнением

.

При волочении зерна приобретают не эллипсоидную, как при про­катке, а волнообразную форму, которая получается вследствие уд­линения зерна в направлении волочения и одновременного изгиба по типу вращения вокруг оси проволоки (рис. 44, б)

Рисунок 44 – Форма зерен стали при прокатке (а) и волочении (б).

Деформация углеродистых сталей

Рассмотрим развитие упрочнения различных сталей в зависимости от их состава и исходной структуры.

Доэвтектоидные стали. Доэвтектоидные низкоуглеродистые стали 05, 08 в исходном состоянии имеют структуру феррита с небольшим ко­личеством включений цементита. При прокатке на многоклетьевом стане ферритные зерна изменяют форму, а сталь постепенно упроч­няется. Влияние степени деформации на механические свойства по­казано на рис.- 45.

Рисунок 45 – изменение пределов прочности σ_Т и твёрдости Нμ стали 08 при увеличении степени холодной прокатки.

Развитие упрочнения стали прослеживается по характеру изме­нения твердости с увеличением степени деформации, которое проис­ходит в три стадии: деформация до 20 % — интенсивное упрочнение; 20—50 % — незначительное упрочнение; выше 50 % — вновь интен­сивное упрочнение. При деформации стали до 20 % в ферритных зер­нах наблюдаются генерирование дислокаций и их скольжение. Бла­годаря взаимодействию дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения и блокировке скольже­ния препятствиями (границами зерен, включениями, пересекающимися пло­скостями скольжения) на этой стадии сталь значительно упрочняется.

В процессе холодной прокатки структура стали постоянно изменяет­ся (рис. 46). Тенденция к образова­нию ячеистой субструктуры проявля­ется уже при деформации 4—6 %, при 20 % формирование ячеистой суб­структуры заканчивается (рис. 46, а). Границы ячеек тонкие! Форма ячеек субструктуры соответствует форме зе­рен, зависящей от вида деформации. При прокатке они имеют эллипсоид­ную форму, а при волочении — вол­нообразную. Увеличение степени де­формации до 40—50 % приводит к утолщению границ ячеек. Упрочнение стали при этом незначительно, так как дислокации обходят пре­пятствия путем поперечного скольжения, а размеры ячеек почти.rie изменяются. При холодной деформации единственным механизмом динамического возврата является поперечное скольжение дислока­ций, которое позволяет последним обходить препятствия и тем са­мым снижает коэффициент деформационного упрочнения.

Рисунок 46 – Ячеистая структура (а, б – х7000) и микроструктура (в, г – х 800) стали 08кп при деформации, %

Дальнейшее увеличение степени деформации (50 % и. выше) приводит к значи­тельному накоплению дислокаций йа границах ячеек, в результате чего ширина субграниц резко увеличивается, а размеры ячеек умень­шаются (рис. 4.20, б). Это вызывает интенсивное упрочнение стали, так как напряжение деформации зависит от размера ячеек субструк­туры (субзерен) dс:

.

Степень упрочнения стали при холодной деформации определяется общим количеством и характером распределения дислокаций. Из­менение плотности дислокаций и размера ячеек субструктуры с уве­личением степени деформации стали 08кп показано ниже. Интенсивность субструктурного упрочнения определяется углом разориентировки Θ_с соседних ячеек субструктуры. С увеличением Θ_с возрастает блокирующая способность субграницы, что приводит к повышению коэффициента k₁ входящего в уравнение Холла-Петча.

Микроструктура ферритной стали после различных обжатий по­казана на рис. 46, в, г. Деформация имеет неоднородный характер. Например, при общей деформации стали 18—22 % можно обнаружить зерна, претерпевшие деформацию на 10, 20, 40, 60 и даже 80 %. Части­цы цементита мало пластичны, хрупко разрушаются и перераспре­деляются с образованием строчек в направлении прокатки. При снижении температуры деформации до —196 °С преобладающим механизмом деформации становится двойникование.

Из доэвтектоидных сталей 05, 08, 10, имеющих ферритную струк­туру, холодной прокаткой получают полосы и листы, применяемые в автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении для из­готовления изделий методом холодной штамповки; из электротехни­ческих текстурованных и малотекстурованных ферритных сталей» например стали ЭЗ, с высокими электромагнитными свойствами произ­водят трансформаторные листы.

Рис 47. Структура углеродистых сталей после холодной прокатки: а — X 500: б — X 15 000; в — X 30 000; г — X 600, Ковзель

На рис. 47 показана структура холоднодеформированных сталей с различным содержанием углерода. Среднеуглеродиетые стали до деформации имеют ферритно-перлитную структуру равноосных зе­рен. В процессе холодной прокатки ферритные и перлитные зер­на изменяют свою форму, вытягиваясь в направлении деформации (рис 47, а). Упрочнение стали развивается в результате увеличения плотности дислокаций, формирования ячеистой субструктуры в ферритной составляющей структуры, образования субструктуры в пер­лите. Особенности субструктурного упрочнения перлита рассмотрены «иже при описании эвтектоидной стали.

Пластическая деформация стали с ферритно-перлитной структурой начинается с появления полос скольжения, а при отрицательных температурах — и двойников в избыточном феррите, причем в начале деформации перлитные зерна ведут себя в основном как «жесткие» включения и выполняют роль препятствий на пути движения дисло­каций и двойников. Полосы скольжения могут заканчиваться у пер­литных зерен или огибать их. В избыточном феррите полосы скольже­ния и двойники взаимодействуют друг с другом, с границами ферритных зерен и границами феррита с перлитом. Возникающие при этом напряжения вызывают деформацию в феррите перлита и дефор­мацию или срез цементитных пластин в зависимости от их ориенти­ровки.

В процессе развития деформации до 25 % плотность дислокаций возрастает и в избыточном, и в перлитном феррите, что приводит к формированию ячеистой структуры. В связи с тем, что объем пластин феррита перлита меньше по сравнению с объемом зерен избыточного феррита, размеры ячеек в феррите перлита будут соответственно мень­ше. Степень упрочнения избыточного феррита и перлита при степенях деформации менее 25 % примерно одинакова. Увеличение степени деформации способствует более интенсивному упрочнению перлита. Предел текучести доэвтектоидной стали зависит от свойств ферритной и перлитной составляющих структуры:

Где f— объемная доля феррита в структуре; σ_Ф σ_П— соответствен­но предел текучести феррита и перлита.

Холодной деформации подвергаются доэвтектоидные легирован­ные и углеродистые стали марок 65, 70, 75, 85, 55ГС, 60Г, 65Г, пред­назначенные для изготовления деталей высокой прочности и упругости (пружин, рессор, лопаток вентиляторов, тормозных дисков и т. д.), а также автоматные стали марок А12; А20, АЗО.

Эвтектоидная сталь до деформации имеет структуру равноосных зерен пластинчатого перлита. В механизмах упрочнения феррита и перлита есть много общего, однако присутствие частиц цементита вносит существенные отличия в рассматриваемые явление. Перлитные колонии в поликристаллической стали распределены хаотически. В процессе прокатки они ориентируются преимущественно вдоль на­правления деформации. Такая ориентация усиливается с увеличением степени деформации стали. В ферритных участках, как и в структурно свободном феррите, дислокации генерируются и движутся, возникают дислокационные скопления. При деформации перлита наблюдаются следы скольжения, двойникования, деформационные сбросы и изгиб полос скольжения.

Скольжение в феррите, перлита происходит вдоль или поперек цементитных пластин, а также по межфазным границам. Между фер­ритом и цементитом в перлите возможны следующие ориентационные соотношения: (001)_ц || (521)_Ф; (001)ц || (211)_Ф; [100]_ц || [011]_Ф; [010]ц || [111]ф. Скольжение в феррите вдоль цементитных пластин реализуется в трех зернах перлита, в которых плоскости скольжения {211} расположены благоприятно к внешним напряжениям. Если не соблюдается соотношение {211}_Ф || {001 }ц, то цементит не принимает участия в деформации, при его соблюдении скольжение возможно в цементите, в котором система плоскостей {001} является плоскостями скольжения. В случае близкой ориентировки цементитных пластин в соседних перлитных зернах идет эстафетная передача скольжения от одного зерна к другому, при больших разориентировках зерен скольжение вдоль цементитных пластин в одном зерне вызывает сбросообразование в другом.

Цементитные пластины в благоприятно ориентированных коло­ниях несколько удлиняются в результате их деформации скольже­нием. В этих участках пластинчатое строение перлита сохраняется, однако пластины становятся более тонкими и в них увеличивается плотность дислокаций.

Ориентационное соотношение {211}_Ф || {001 }ц встречается редко, поэтому далеко не всегда в феррите наблюдается скольжение вдоль цементитных пластин. В других системах плоскостей феррита оно тормозится труднодеформируемыми пластинами цементита. Ограни­ченное развитие деформации в феррите способствует накоплению дис­локаций. Плотность дислокаций увеличивается вначале у поверхности раздела феррита и цементита, что свидетельствует о барьерном эф­фекте межфазных границ и зарождении дислокаций поверхностями раздела. В феррите перлита с увеличением степени деформации воз­никает дисперсная ячеистая субструктура.

С развитием деформации субзерна разворачиваются, увеличивается угол их разориентировки. Блокировка скольжения в феррите, про­исходящего под углом к плоскости (001)ц, приводит к деформации цементита путем сбросообразования. В неблагоприятно ориентиро­ванных по отношению к направлению деформации колониях цемен­титные пластины изгибаются и разрушаются срезом, и у их обломков появляются дислокационные клубки, которые с увеличением степени деформации превращаются в стенки ячеек, содержащие, наряду с дис­локациями, измельченные частицы цементита. В этих участках не сохраняется пластинчатое строение перлита.

Упрочнение эвтектоидной стали происходит благодаря увеличе­нию плотности дислокаций в феррите, цементите и на границах разде­ла феррит — цементит и в результате формирования в феррите ячеис­той, субструктуры, содержащей в стенках ячеек мелкие частицы це­ментита. Микроструктура деформированного перлита показана на рис. 47, б.

Степень упрочнения стали со структурой пластинчатого перлита зависит от дисперсности перлитных колоний, что, в свою очередь, определяет длину линий скольжения в ферритных участках. Чем ко­роче эта дистанция, тем быстрее упрочняется перлитная сталь:

Здесь k_p — константа, характеризующая степень блокировки дисло­каций структурными барьерами; ∆с —дистанция скольжения дисло­каций, примерно равная отрезку в ферритном участке, ориентирован­ному в направлении [ 111 ]ф и ограниченному двумя параллельными пластинами цементита.

Предел текучести эвтектоидной стали определяется следующим выражением:

где σц — предел текучести цементита.

Сталь со структурой дисперсного перлита можно существенно упрочнить с помощью холодной деформации. При патентировании проволоки из сталей 65, 70, У8, У9 волочение приводит к увеличению предела прочности стали до 4000 МПа.

Заэвтектоидная сталь в исходном состоянии имеет структуру пер­лита и вторичного цементита. При холодной деформации такой стали перлит деформируется аналогично перлиту эвтектоидной стали, а вторичный цементит, находящийся на границах зерен, даже при ма­лых обжатиях (0,5—2%) разрушается, дробится и выстраивается в цепочки в направлении течения. Такую сталь очень трудно деформировать. Главная причина низкой пластичности стали заключается в наличии цементита пластинчатой формы.

Повышение сопротивления заэвтектоидной стали разрушению й увеличение ее пластичности достигается сфероидизирующим отжигом или теплой деформацией в ходе перлитного превращения.

Субструктурное упрочнение стали со структурой зернистого пер­лита развивается следующим образом. В ходе деформации начинается скольжение дислокаций в феррите. Частицы цементита препятствуют движению дислокаций. Это приводит к повышению напряжения, необ­ходимого для их движения. Важным показателем развития упрочне­ния сфероидизированной стали является дистанция свободного сколь­жения дислокаций в феррите, которая определяется средним рас­стоянием между частицами цементита. Предел текучести стали при этом равен

где а и Ь — коэффициенты, зависящие от состава стали; λ — среднее расстояние между частицами цементита. При уменьшении среднего расстояния между частицами от 20 до 0,6 мкм предел текучести стали возрастает на порядок. Предел текучести стали согласно выражению зависит от среднего размера частиц цементита.

На начальных этапах деформации (при обжатиях менее 10 %), когда еще нет ячеистой субструктуры, степень упрочнения феррита с дисперсными частицами цементита значительно больше, чем, феррита низкоуглеродистой стали, не содержащего частиц цементита. Интен­сивность упрочнения заэвтектоидной стали определяется плотностью и характером распределения дислокаций в феррите вдали от цементитных частиц и количеством дислокаций, заторможенных цементитными частицами. В результате торможения скольжения у цементитных частиц возникают дислокационные скопления — клубки (рис. 47, в), которые преобразуются в ячеистую субструктуру. В отличие от пластинчатого глобулярный цементит при холодной деформации пластически не деформируется. Крупные цементитные частицы раз­рушаются, а их обломки перемещаются в направлении течения стали.

Прочность стали со структурой сфероидизированного цементита обратно пропорциональна расстоянию между карбидными частицами и диаметру ячеек дислокационной субструктуры. Таким образом, механизм упрочнения стали со структурой зернистого перлита состоит в субструктурном и дисперсионном упрочнении металла частицами цементита.

В механизмах упрочнения стали с пластинчатым и зернистым пер­литом есть много общего. В обоих случаях частицы цементита пре­пятствуют движению дислокаций в феррите. Следует отметить, что в. отличие от стали с пластинчатым перлитом сталь со структурой зернистого перлита (цементита) не разрушается при степенях дефор­мации 80—90 %. Микроструктура стали с зернистым перлитом после холодной прокатки на 70 % показана на рис. 47, г.

Деформация легированных сталей

Механизм холодной деформации легированных сталей зависит от их принадлежности к структурному классу. Ферритные и перлитные стали деформируются аналогично рассмотренным выше доэвтектоидным и эвтектоидной сталям. У легированного цементита и специальных карбидов, входящих в структуру перлита, пластичность ниже, чем у цементита. Их разрушение начинается при меньших степенях де­формации по сравнению с таковыми цементита, поэтому упрочнение легированных сталей развивается интенсивнее, чем углеродистых.

Стали карбидного (ледебуритного) класса мало пластичны при хо­лодной деформации, так как специальные карбиды обладают повы­шенной хрупкостью, а наличие карбидных эвтектик способствует рез­кому снижению пластичности стали в любом температурном интервале. Для увеличения их пластичности следует проводить сфероидизирующий отжиг. При получении дисперсных, равномерно распределенных глобулярных карбидов становится возможной холодная деформация стали. Механизм её упрочнения аналогичен рассмотренному выше для углеродистой стали со структурой зернистого цементита. Такой обработке подвергаются некоторые виды инструментальных сталей.

Стали мартенситного класса не поддаются большим обжатиям из-за высокой хрупкости мартенсита, пределы текучести которого составляет 800—1000 МПа. Увеличить их пластичность можно, из­мельчив структуру с помощью ВТМО или НТМО. Сопротивление деформации стали со структурой отпущенного мартенсита или бейнита определяется размерами зерен α-фазы и дислокационных ячеек субструктуры, а также расстоянием между^: карбидными частицами:-

где σ₀— предел текучести α-фазы без карбидов; α и β — коэффициен­ты; т — ¹/₂...1.

Легированные.стали подвергают холодной деформации (рис. 48). Деформация мартенсита, представляющего собой пересыщенный твер­дый раствор, приводит к его частичному распаду, нагрев интенсифи­цирует последний, изменяет характер распределения и дисперсность частиц цементита или карбидов. Основными причинами повышения прочности мартенситных сталей являются увеличение плотности дис­локаций и. распад остаточного аустенита. Дислокационная структура деформированного мартенсита показана на рис. 48, а. Дислокации блокируются атомами углерода. Холодная деформация стали со струк­турой отпущенного мартенсита способствует значительному ее упроч­нению.

Стали аустенитного класса при холодной деформации ведут себя аналогично однофазным ферритным сталям. Деформация аустенита. развивается путем множественного скольжения дислокаций и двойникования (рис. 48, б). Линии скольжения в аустените при разных схемах деформации распределены по-разному: при прокатке стали на начальных этапах деформации они располагаются в одном направ­лении в пределах каждого зерна, при волочении — пересекаются с образованием сетки.

Рисунок 48 – Микроструктура легированных сталей после холодной прокатки

а – х 30000, Н. Э. Погребная; б – х 500, И. Е. Казимирова

В интервале степеней деформации до 5 % плотность дислокаций резко возрастает, появляются дислокационные скопления и дефекты упаковки. При деформации 10—15 % работают три-четыре системы скольжения, взаимодействие дислокаций в пересекающихся системах приводит к образованию порогов на дислокациях. Возникает ячеистая дислокационная субструктура. Размер ячеек последней составляет примерно 0,1— 0,5.мкм. С увеличением степени деформации до 50 % возрастают плотность дислокаций в стенках ячеек, количество и про­тяженность дефектов упаковки. В аустените меньше активных плос­костей скольжения, чем в феррите, дислокации мало склонны к по­перечному cскольжению и переползанию из-за меньшей диффузионной подвижности атомов. Поэтому в аустените раньше тормозится движе­ние дислокаций, возникают дислокационные скопления и клубки, преобразующиеся в стенки ячеек. Упрочнение аустенитных сталей развивается интенсивнее, чем ферритных, и при одинаковой степени деформации достигает большего значения.

Если в процессе деформации происходит мартенситный распад, деформационный наклеп усиливается фазовым наклепом. Малые обжатия активизируют и ускоряют мартенситное превращение, боль­шие — стабилизируют аустенит, что связано с измельчением субструк­туры и образованием разрывов по когерентным границам растущих кристаллов мартенсита и аустенита. При температуре 20 °С мартен­ситное превращение происходит частично, с понижением температуры, оно значительно интенсифицируется. Сочетание холодного наклеп» при отрицательных температурах с мартенситным превращением» позволяет существенно повысить прочность стали.

Влияние холодной деформации на текстуру и физические свойства стали

В процессе холодной прокатки стали образуется текстура дефор­мации. Например, в трансформаторной стали марок Э310, Э320 воз­никает ребровая текстура, при которой ребро куба элементарной ячейки (100) параллельно направлению прокатки, а плоскость {110} - поверхности листа. Создание такой текстуры обеспечивает стали благоприятные магнитные свойства. Применение холодноката­ной трансформаторной стали с ребровой текстурой взамен изотроп­ной горячекатаной позволяет уменьшить массу и габаритные размеры мощных трансформаторов на 20—25 % и снизить потери электро­энергии. При прокатке листов появляются несколько кристаллогра­фических составляющих текстуры: (110) [001], (112) [110], (111) [112]. В случае волочения труб из углеродистой стали 10 образуются тексту­ры (102) [110], (110) [112], (110) [110], а из аустенитной нержавеющей стали—аксиальная текстура. При глубокой вытяжке характер текстуры для разных участков деталей не одинаков. Например, в центре дна чашки появляется текстура сжатия (направления [111] и [100] параллельны оси сжатия), на верхнем ободе чашки — также текстура сжатия, но ось ее тангенциальна.

При холодной деформации стали изменяются не только механи­ческие, но и физические свойства. Электросопротивление в общем случае повышается в результате наклепа, что связывают с ростом плотности дефектов кристаллического строения, рассеивающих элек­троны проводимости. При холодной деформации уменьшается сопро­тивление стали коррозии, причем преимущественно развивается интеркристаллитная коррозия. Холодная деформация приводит также к снижению теплопроводности и магнитной проницаемости стали, затрудняет процессы намагничивания и размагничивания ферромаг­нитных сталей.

Холодная пластическая деформация стали — один из эффектив­ных способов понижения температуры хладноломкости, которое проис­ходит в результате создания ячеистой субструктуры. При малых степенях деформации, когда дислокации в зернах распределены хаотичёски, низкотемпературная пластичность стали снижается, а темпе­ратура хладноломкости повышается. При больших степенях дефор­мации температура хладноломкости уменьшается.

ОСОБЕННОСТИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Холодной деформации подвергаются горячедеформированная сталь. Проводится для получения стальных изделий нужной формы с заданной чистотой поверхности.

Упрочнение стали при холодной деформации.

Большой эффект упрочнения в процессе деформации. Возможно повышение прочности до 3000 МПа.

Показатели, характеризующие способность стали к деформационному упрочнению:

- показатель деформационного упрочнения

где и- диаметр образца до и в момент максимальной нагрузки при испытаниях на растяжение.

– величина пластической деформации, приводящая к генерированию дислокаций.

- текущее напряжение;

- предел текучести;

Е - модуль упругости (сдвига).

Упрочнение возрастает постепенно с увеличением степени деформации%. Это приводит к возрастанию деформирующих усилий при последующих проходах. Наибольшее упрочнение при деформации до 20 %.

Изменение формы зерен

Форма определяется способом деформации. В исходном состоянии – равноосная.

При холодной прокатке

У

X

Z

Объем зерен не изменяется ().

Зерно имеет форму эллипсоида, у которого постоянно изменяется размер осей.

x,y,z – текущие координаты

a,b,c – полуоси эллипсоида

Форма зерен зависит от степени деформации.

; ;.

,,-оси эллипсоида

A, B, C, m, n, l - параметры зависящие от состава стали (- степень деформации).

Пример: доэвтектоидная сталь: А =7,47; В =5,8; С = (5-17); m = 0,0123; n = 0,0182; l = 0,0059.

Тогда в любой момент деформации можно определить размер зерна, а изменение его формы описывается уравнением:

При волочении образуется волнообразная форма зерен, которая образуется при одновременном вытягивании и повороте зерна вдоль оси прокатки.

Деформация углеродистых сталей

Доэвтектоидные стали

Низкоуглеродистые 05, 08кп – Ф+П_min (Ф+Ц).

Влияние степени деформации на механические свойства.

Hµ

σ _т

σ _{в т}

МПа

σ _{в т}

σ _{т т}

100

240

Hµ

50

160

42

34

120

26

20

60

40

80

100

Наиболее четко развитие упрочнения прослеживается на Нµ.

Три стадии:

1. до 20% - интенсивное упрочнение

2. 20-60% - незначительное упрочнение

3. более 60 % интенсивное упрочнение

1. стадия – в Ф генерирование дислокаций и скольжение. При пересечении, образовании порогов скольжение затрудняется, происходит упрочнение.

При 4-6% степени деформации начинается формирование ячеистой структуры. При 20% заканчивается. Границы ячеек тонкие.

2. стадия – при 20-60% степени деформации происходит упрочнение границ ячеек.

3. стадия – более 60% степени деформации, ширина субзерна значительно увеличивается. Размеры ячеек уменьшаются – (Упрочнение).

Вывод: Степень упрочнения стали при холодной деформации определяется общим количеством и характером распределения дислокаций. Как было указано ранее, деформация неравномерная.

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОЦЕСС ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Среднеуглеродистые стали

Цементит малопластичен. При деформации разрушается и распределяется вдоль направления прокатки.

При деформации при отрицательных температурах (-196 ⁰С) – основной механизм – двойникование.

05, 08, 10 (стали для глубокой вытяжки) – автомобиле и с/х машиностроение.

Электротехнические стали – трансформаторные листы с ребровой структурой.

Среднеуглеродистые стали Ф+П.

При прокатке и Ф и П зерна вытягиваются вдоль направления деформации.

Упрочнение развивается:

- увеличение плотности дислокаций;

- образование ячеистой структуры в Ф.

Упрочнение в П наступает следующим образом:

- в Ф генерирование и движение дислокаций;

- Ц пластины при благоприятной ориентировке удлиняются за счет деформации скольжением. Здесь пластинчатое строение сохраняется. Но пластины становятся более тонкими и в них повышается плотность дислокаций.

При неблагоприятной ориентировке Ц происходит торможение скольжения. При дальнейшем повышении ε происходит быстрое упрочнение ферритных пластинок и изгиб, и разрушение цементитных пластинок. В этом случае пластинчатое строение перлита не сохраняется.

Деформация среднеуглеродистых сталей начинается с появления полос скольжения - возможны двойники. П в начале препятствует движению, затем деформируется.

При ε < 25% увеличивается плотность дислокаций и образуется ячеистая структура.

Чем больше ε, % - тем больше упрочнение П.

Углеродистые эвтектоидные

65, 70, 80, А12, А20, А30 – рессоры, пружины.

Эвтектоидная сталь – П.

Механизм упрочнения П описан выше.

В исходном состоянии перлитные колонии распределены хаотично. При прокатке ориентируются вдоль направления прокатки. Чем больше ε, % тем ориентация больше.

Т.о. упрочнение эвтектоидной стали происходит:

1) – при увеличении плотности дислокаций в Ф , Ц и на границах раздела;

2) – в результате формирования в Ф ячеистой структуры, содержащей в стенках ячеек мелкие частицы цементита.

Степень упрочнения зависит от дисперсности перлитных колоний.

У7, У8, У9,65,70 – проволока (патентирование) σ_в до 4000 МПа.

Заэвтектоидная сталь П +Ц ₁₁ .

П деформируется так как и П эвтектоидной и доэвтектоидной стали.

Ц ₁₁ – разрушается, дробится и располагается вдоль направления прокатки даже при незначительных ε, % - (0,5-2%).

Повышение пластичности достигается сфероидизирующим отжигом или теплой деформацией.

Упрочнение зернистого перлита:

1) Скольжение дислокаций в Ф;

2) Частицы Ц препятствуют движению дислокаций.

Показатель упрочнения – длина свободного скольжения дислокаций в Ф, которая определяется средним расстоянием между частицами цементита.

где a, b – коэффициенты, зависящие от состава стали;

- среднее расстояние между частицами цементита.

При ε < 10 % степень упрочнения феррита в З. П. больше, чем Ф низкоуглеродистой стали.

Интенсивность упрочнения определяется плотностью и характером распределения дислокаций в феррите.

У цементитных включений образуются клубки, которые преобразуются в ячеистую субструктуру.

Глобулы не деформируются, а дробятся и перемещаются в направлении течения.

Т.о. механизм упрочнения З. П. – субструктурное и дисперсное упрочнение частицами цементита.

Сталь З. П. не разрушается при ε = 80- 90% .

ДЕФОРМАЦИЯ ЛЕГИРОВАНЫХ СТАЛЕЙ

Механизм деформации зависит от структурного класса: (Ф, П, М, А, К).

Ф и П упрочняется аналогично доэвтектоидной и эвтектоидной сталям.

У Ц легированного пластичность ниже, поэтому упрочнение развивается интенсивнее.

Карбидный класс – малопластичны. Для увеличения пластичности – сфероидизирующий отжиг. Упрочнение аналогично зернистому перлиту. Инструментальные стали подвергаются.

Стали мартенситного класса – не поддаются большим обжатиям из-за высокой хрупкости М. Увеличивают пластичность ВТМО, НТМО. Деформация приводит к частичному распаду М.

Основная причина повышения пластичности – увеличение плотности дислокаций в М и распад остаточного аустенита.

Стали аустенитного класса – аналогично ферритным.

Деформация развивается путем мгновенного скольжения и двойникования.

До 5 % плотность дислокаций возрастает.

10-15% - три, четыре плоскости скольжения – возникают ячейки.

В аустените меньше активных плоскостей скольжения, поэтому упрочнение происходит интенсивнее.

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