3.2 Влияние холодной пластической деформации

на структуру и свойства металла

Холодная пластическая деформация поликристаллического металла приводит к значительному изменению его структуры и свойств. Деформация начинается в наиболее благоприятно ориентированных кристаллах, а дальше распространяется и на остальные. Зерна меняют свою форму и ориентировку в пространстве. Они деформируются, вытягиваясь в направлении течения металла, образуя волокнистую структуру. Происходит разворот беспорядочно ориентированных зерен определенными кристаллографическими направлениями вдоль направления деформации (рис. 3.3). Такая преимущественная ориентировка называется текстурой. Чем выше степень деформации, тем совершеннее текстура, т.е. тем больше зерен переориентируется и направление ориентировки строже соответствует направлению деформации.

а – до деформации; б – после деформации

Рисунок 3.3 - Изменения формы зерна после пластической деформации

Образование текстуры способствует появлению анизотропии в поликристаллических материалах. Увеличение степени деформации приводит также к возрастанию числа дислокаций и точечных дефектов кристаллической решетки, а также линий сдвига Так количество дислокаций возрастает от =10⁶ - 10⁸ см^-2 до 10¹⁰ - 10¹² см^-2. При этом дислокаций становится настолько много, что их скольжение происходит в других плоскостях, пересекающихся друг с другом. Происходит упругое взаимодействие пересекающихся дислокаций – для их дальнейшего перемещения необходимы большие усилия. В результате повышается сопротивление пластической деформации, возрастают прочность и твердость, но уменьшаются пластичность и вязкость. Упрочнение металлов и сплавов пластическим деформированием называется наклепом.

На рис.3.4 приведена схема зависимости прочности металлов от числа дислокаций, из которой видно, что есть два пути повышения прочности:

• снижение числа дислокаций, что реализовано при получении нитевидных почти бездефектных металлических монокристаллов, так называемых «усов»;

• повышение количества дислокаций, что реализуется гораздо проще путем пластической деформации или упрочняющей термической обработки

3.3 Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.

Характерной особенностью кристаллической структуры холоднодеформированного металла является большое количество дефектов, что приводит состояние системы в термодинамически неравновесное, так как наблюдается повышение термодинамического потенциала (свободной энергии). В наклепанном металле при определенных условиях самопроизвольно идут процессы, которые приводят термодинамическое состояние к равновесию. Эти процессы связаны в основном с подвижностью атомов и при относительно низких температурах неравновесное состояние достаточно устойчиво, так как понижение свободной энергии возможно лишь за счет перемещения точечных дефектов (вакансий, межузельных атомов). При нагреве наклепанного металла наблюдаются следующие процессы: возврат 1 рода (отдых); возврат 2 рода (полигонизация), рекристаллизация.

При отдыхе уменьшается количество точечных дефектов: межузельные атомы и вакансии частично аннигилируют, вакансии устраняются путем исхода к стокам. Несколько уменьшается и количество дислокаций, так как те из них, что имеют разные знаки и недалеко друг от друга расположены, также аннигилируют. На характер микрострук­туры эти процессы практически не влияют: незначительно изменяются механические свойства, чуть заметнее физические.

П

Рисунок 3.5 – Схема образования дислокационных стенок

ри более высоких температурах (T>0.2 - 0.3T_пл) происходит упорядочение дислокационной структуры. Беспорядочно расположенные дислокации перераспределяются и размещаются преимущественно одна над другой. Это снижает уровень термодинамического потенциала системы. Появляются дислокационные стенки, которые разделяют кристалл на полигональные блоки, поэтому процесс называется полигонизацией. Соседние блоки разориентированы на угол 5-6°, дислокационные стенки фактически являются малоугловыми границами (рис.3.5).

Если температура превышает 0.4 - 0.5T_пл, то имеет место наиболее активный процесс возврата первичной структуры и свойств - рекристаллизация. При этом происходит зарождение и рост новых недеформированных зерен той же фазы с меньшим количеством дефектов кристаллической решетки. Создается структура из достаточно мелких равноосных кристаллов. Это - первичная рекристаллизация или рекристаллизация обработки. Новые зерна образуются на границах деформированных и отличаются от них гораздо меньшим числом дислокаций и более низк

Рисунок 3.6 – Изменение структуры и свойств при нагреве наклепанного металла

им значением термодинамического потенциала. Поэтому первичная рекристаллизация – термодинамически выгодный процесс. В результате этого процесса наклеп полностью снимается и свойства приближаются к первоначальным (рис. 3.6).

Д

Рисунок 3.7 – Влияние степени деформации на размер рекристаллизованного зерна

алее может проходить собирательная рекристаллизация, при которой происходит рост более крупных зерен за счет более мелких. Такой процесс является самопроизвольным, так как обусловлен снижением термодинамического потенциала системы из-за уменьшения поверхности межзеренных границ. Оразмер зерен, образовавшихся при рекристаллизации заметно влияет на свойства металла. Образование крупных зерен снижает и прочность и пластичность и вязкость. Величина рекристаллизованного зерна зависит не только от температуры нагрева и длительности выдержки, но и от степени пластической деформации (рис. 3.7). Наибольший рост зерна происходит после определенной деформации с небольшой степенью (5 - 8% для Fe), которая называетсякритической степенью деформации. В этом случае вследствие анизотропии кристаллов некоторые из них оказываются пластично деформированными, а некоторые - нет. Эти последние достаточно большие зерна и увеличиваются дальше за счет деформированных соседей. Следствием является образование структуры с аномально большими зернами с низкой вязкостью.

Тема № 4: Кристаллизация