Превращения в наклепанном металле при нагреве. Изменения его структуры и свойств

Наклепанный металл термодинамически неустойчив, стремится возвратиться в первоначальное, равновесное состояние, восстановить свою структуру и свойства. При низких температурах (не более 0,1 Тпл) этот процесс затруднен и наклепанное состояние может сохраняться довольно долго.

При нагреве пластически деформированного металла сообщаемая ему тепловая энергия повышает амплитуду колебаний атомов, вследствие чего повышается их диффузионная подвижность. При невысоком нагреве (0, 2 - 0,3 Т_пл) за счет активизации процессов самодиффузии происходит перераспределение точечных и линейных дефектов в каждом зерне. Часть из них перемещается на границы зерна, часть аннигилирует, а часть перестраивается, образуя дислокационные стенки, т. е. границы субзерен. Уменьшение общей плотности дефектов строения, снижение внутренних напряжений сопровождается незначительным (на 10 - 15% от наклепанного) снижением прочностных свойств при одновременном повышении пластичности. Заметных изменений микроструктуры при таком нагреве не происходит (рис. 14. 3).

При более высоком нагреве (0,3 - 0,4 Т_пл) поисходит резкое изменение микроструктуры и механических свойств. На базе вытянутых в направлении деформирования зерен (волокон) зарождаются и вырастают новые равноосные зерна с меньшим количеством дефектов. Это явление носит название рекристаллизации. Размер рекристаллизованных зерен значительно зависит от степени предшествующей пластической деформации. Как видно на рис. 14.4, он может оказаться больше или меньше первоначального. Объясняется это явление тем, что при малых (5 - 15%) деформациях возникает мало зародышей рекристаллизации и зерна вырастают очень крупными. Такую степень деформации называют критической (ε_кр). При дальнейшем увеличении степени деформации размер рекристаллизованных зерен уменьшается. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Мелкозернистый металл обладает повышенной прочностью и вязкостью (стойкостью к удару). Если степень деформации очень мала (меньше ε_кр), малы искажения решетки, исходные границы между зернами не разрушены и рекристаллизации не происходит.

Во время рекристаллизации происходит снижение плотности дислокации до первоначального (10⁶ - 11⁸см^-2) уровня и высвобождается накопленная в процессе холодной пластической деформации энергия. Наклеп практически полностью снимается, и пластичность металла восстанавливается (рис. 14.3). Наименьшую температуру начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Для технически чистых металлов она составляет около 0, 4 Т_пл, для очень чистых металлов до 0,1 - 0, 2 Т_пл, а для сплавов возрастает до 0, 5 - 0, 6 Т_пл. Чтобы обеспечить полноту снятия наклепа и высокую скорость процесса рекристаллизации, деформированный металл нагревают на 150 - 200 градусов выше порога рекристаллизации.

Если пластическую деформацию проводить выше порога рекристаллизации, то процессы наклепа и рекристаллизация будут протекать одновременно, в результате чего в деформированном металле остаточного наклепа может не быть. Такую деформацию называют горячей.

Рис. 14.3. Схема изменения свойств и структуры наклепанного металла при нагреве:

I - возврат; П - первичная рекристаллизация;

Ш - собирательная рекристаллизация; IV - вторичная рекристаллизация;

а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г - собирательная рекристаллизация; д - вторичная рекристаллизация д - вторичная рекристаллизация

Рис. 14. 4. Влияние степени холодной деформаций на величину зерна при рекристаллизации: α₀ - размер исходного зерна

Во время длительной выдержки при температуре выше порога рекристаллизации будет происходить рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Это явление носит название собирательной рекристаллизации (рис. 14.3, г), а его движущей силой является стремление металла как термодинамической системы, к снижению уровня зернограничной энергии. Крупнозернистый металл имеет меньшую суммарную поверхность границ, чем мелкозернистый, поэтому и уровень свободной энергии у него меньше.

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Группу разделить на 3 подгруппы. Каждая подгруппа должна получить по три холоднодеформированных (с разной степенью) образца алюминиевого сплава.

2. Изучить влияние степени деформации сплава на его твердость. Замер твердости производить на прессе Бринелля. Результаты замеров занести в табл. 13.1.

3. Изучить влияние температуры нагрева на изменение свойств и структуры деформированного сплава.

Образцы холоднодеформированного алюминиевого сплава

нагреть:

1-я подгруппа - на 150°С; 2-я подгруппа - на 300 С;

3-я подгруппа - на 450°С и выдержать при этих температурах в течение 40 мин.

Измерить твердость образцов, результаты замеров занести в табл. 14.1. Построить график, показывающий изменение твердости в зависимости от температуры нагрева, и указать примерную температуру начала рекристаллизации, найденную на основании полученных результатов и расчетным путем по формуле А. А. Бочвара (Т_рекр.≈ 0,5 Т_пл, К).

Оценить размер зерна рекристаллизованного металла и сделать вывод о влиянии степени предшествующей деформации на величину рекристаллизованного зерна.

4. Составить отчет. Содержание отчета: название и цель работы, теоретические сведения, таблица, выводы, ответы на вопросы контрольных заданий.

Таблица 14.1

N п/п	Степень деформации,%	Твердость до нагрева, НВ	Твердость после нагрева, НВ
150°С	300°С	450°С
I

Контрольные задания

1. На рис.14.5 приведена диаграмма растяжения образца стали. Опишите, какие изменения происходят в микроструктуре металла при растяжении образца до точки 1, 2, 3, соответственно.

Относительное удлинение, %

Рис. 14. 5. Диаграмма растяжения образца низкоуглеродистой стали

2. Детали, изготовленные из прутков меди диаметром 20 мм, должны иметь предел прочности не ниже 300 МПа. Между тем на заводе имеются прутки меди большего диаметра с пределом прочности 220-250 МПа. Укажите, как можно выполнить производственное задание.

3. Объясните, можно ли отличить по микроструктуре металл, деформированный в холодном состоянии, от металла, деформированного в горячем состоянии, и укажите, в чем заключается различие микроструктуры.

4. Укажите, изменяется ли и в какую сторону величина твердости по Бринеллю, если замеры проводить дважды в одной и той же точке образца? В непосредственной близости от места первого измерения?

5. Волочение проволоки проводят в несколько переходов. Если волочение без промежуточных операций, то проволока на последних переходах дает разрывы. Объясните причины разрывов и укажите меры для предупреждения этого явления.

6. Медные детали, полученные холодной штамповкой, имеют пониженную пластичность. Укажите, можно ли повысить относительное удлинение такой меди, порекомендуйте режим обработки и объясните, как изменяются при этом механические свойства (σ_в, НВ, δ).

7. Одни прутки латуни после холодной деформации нагревали до 200°С, другие до 500°С с выдержкой в течение 60 мин. Укажите, какое влияние на структуру и свойства в каждом случае оказал нагрев.

8. Порекомендуйте режим обработки (температуру нагрева) холоднодеформированной латуни, если необходимо максимально сохранить повышенную прочность, созданную холодной деформацией, но снять часть возникших при этом напряжений.

9. В котельных установках часто наблюдается более значительная коррозия в участках металла, прилегающих к заклепкам. Объясните причины, вызывающие это явление.

10. При исследовании структуры стального кованного вала диаметром 100мм обнаружено, что в поверхностных слоях структура была мелкозернистой, а в сердцевине - крупнозернистой. Укажите возможные причины этого явления.

Контрольные вопросы

1. Какой вид деформации необратим - упругий или пластический?

2. В чем сущность явления наклепа?

3. Снижается или возрастает плотность дислокации в металле при наклепе?.

4. Может ли протекать процесс рекристаллизации в металле с идеально правильной структурой?

5. В чем отличие процессов возврата и рекристаллизации и что они имеют общего?

6. Что такое температурный порог рекристаллизации?

7. Какую деформацию называют холодной и какую горячей?

8. Снижается или возрастает плотность дефектов в наклепанном металле при нагреве?

9. Когда изменяется размер зерен в деформированном металле - при возврате или при рекристаллизации?

10. Когда металл будет деформироваться легче - при температуре выше или ниже порога рекристаллизации?