Деформация металла

1. Влияние холодной пластической деформации и рекристаллизации на микроструктуру и механические свойства низкоуглеродистой стали

Деформация — это изменение линейных размеров и формы тела под действием приложенной силы (нагрузки).

Упругая деформация (обратимая) исчезает после снятия нагрузки.

Пластическая деформация (необратимая) не исчезает после снятия нагрузки.

Абсолютная деформация — абсолютное изменение линейных размеров длины l, ширины b или высоты h, которое обозначается ?1, ?b, ?h соответственно и измеряется в единицах длины.

Относительная деформация (степень деформации) — это отношение абсолютной деформации к начальному размеру. Она обозначается буквами д, в или е и является величиной безразмерной или выражается в процентах.

2. Пластическая деформация и ее влияние на свойства металлических материалов

Пластическая деформация возникает при напряжениях, превышающих предел упругости у_упр или предел текучести у_т. При этом чем больше величина деформирующего напряжения, тем больше степень деформации. Важнейшим практическим следствием пластической деформации является упрочнение металла. Упрочнение металла в процессе пластической деформации называется наклепом. Это выражается в повышении характеристик прочности (твердость, пределы текучести и прочности) и снижении пластичности и вязкости (относительное удлинение, ударная вязкость) (рисунок 1).

Пластическая деформация носит сдвиговый характер и осуществляется путем перемещения дислокаций по плоскостям и направлениям скольжения, причем количество дислокаций (плотность) возрастает. Это приводит к искажениям кристаллической решетки и упрочнению металла. Сущность упрочнения заключается в торможении дислокаций, в возникновении препятствий для их перемещения.

Рисунок 1 — Влияние степени пластической деформации на структуру и свойства металла При пластической деформации изменяется микроструктура металла. Зерна вытягиваются, и структура приобретает волокнистое строение. Кроме того, зерна поворачиваются в направлении, благоприятном для сдвига, в результате чего возникает одинаковая кристаллографическая ориентировка зерен в пространстве — текстура.

Итак, при пластической деформации увеличивается плотность дислокаций, изменяется микроструктура, повышается прочность и снижается пластичность и вязкость.

3. Влияние температуры нагрева на микроструктуру и твердость деформированного металла

металл рекристаллизация деформация нагрев Пластически деформированный металл находится в структурно-неустойчивом состоянии. В нем повышена плотность дислокаций, вакансий. В таком металле даже при комнатной температуре могут протекать процессы, приводящие его в более устойчивое состояние. При повышении температуры скорость этих процессов возрастает. По характеру внутренних превращений различают процессы возврата (отдыха) и рекристаллизации.

Возврат протекает при сравнительно низких температурах, когда подвижность атомов мала. На этой стадии частично снижаются внутренние напряжения за счет уменьшения искажений кристаллической решетки, связанного с перераспределением дислокаций и уменьшением плотности точечных дефектов кристаллического строения. При этом не наблюдается изменения микроструктуры по сравнению с деформированным состоянием.

Частичное (незначительное) изменение механических свойств за счет снятия упругих искажений кристаллической решетки без заметного изменения микроструктуры называется возвратом.

Рисунок 2 — Зависимость механических свойств от температуры нагрева деформированного металла

Рекристаллизация. При дальнейшем повышении температуры, когда подвижность атомов возрастает, и они получают возможность мигрировать в кристаллической решетке, происходит образование новых, свободных от дефектов, зерен равноосной формы. Такое образование новых зерен равноосной формы взамен ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется процессом рекристаллизации. При этом механические свойства резко изменяются и приобретают значения, которые металл имел до деформации. Происходит полное разупрочнение деформированного металла, снижается твердость, предел текучести, прочности, а характеристики пластичности возрастают (см. рисунок 2).

Минимальная температура, при которой возможен процесс рекристаллизации, называется температурным порогом рекристаллизации или температурой рекристаллизации Т_р. Абсолютная температура рекристаллизации зависит от абсолютной температуры плавления металла Т_пл (формула Бочвара):

Т_р = а • Т_пл, (1)

где, а — коэффициент, зависящий от состава и структуры металла;

для металлов высокой чистоты, а = 0,1 — 0,2;

для металлов технической чистоты, а = 0,3 — 0,4;

для сплавов, а = 0,6 — 0,8;

для углеродистых сталей, а = 0,4.

Рекристаллизация металлов протекает в две стадии.

Первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, — это появление центров новых зерен и их рост за счет деформированных зерен. Чем больше центров, тем мельче получается зерно.

Собирательная рекристаллизация представляет собой процесс роста уже рекристаллизованных зерен. Чем выше температура, тем быстрее идет этот процесс.

В результате процесса рекристаллизации не восстанавливается старое зерно, а возникает новое, размер которого зависит от многих факторов: степени предшествующей деформации е, температуры нагрева Т_н, скорости нагрева х_н‚ времени выдержки ф_в. Чем больше е и х_н‚ тем мельче получается зерно. Чем выше Т_н и больше ф_в, тем крупнее зерно.

Нагрев деформированного металла выше температуры рекристаллизации с целью снять наклеп называют рекристаллизационным отжигом. Обычно температуру отжига выбирают намного выше, чем температура рекристаллизации, когда с заметной скоростью идет процесс рекристаллизации и для снятия наклепа (разупрочнения) не требуется больших выдержек. Например, для меди температура рекристаллизации — 270 °C, а температура отжига — 650 °C.

4. Холодная и горячая пластическая деформация

Холодная деформация происходит при температурах ниже температуры рекристаллизации. В ходе этого процесса металл упрочняется. Его упрочнение зависит от степени деформации.

Горячая деформация — это деформация при температурах выше температуры рекристаллизации. При этом металл упрочняется за счет пластической деформации и разупрочняется за счет рекристаллизации. Конечный эффект будет зависеть от соотношения скоростей деформации и рекристаллизации. Чем выше температура, тем больше вероятность полного разупрочнения металла.

Литература

1. Тушинский, Л. И. Методы исследования материалов/ Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, В. Н. Синдеев. — М.: Мир, 2004. — 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю. М. Лахтин. — М.: Металлургия, 199 — 448 с.

3. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов/ Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман и др. — М.: Высшая школа, 2001. — 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И. И. Евстратова и др. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. — 268 с.

5. Маркова, Н. Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н. Н. Маркова. — Орел: ОрелГТУ, 2006. — 96 с.

6. Ильина, Л. В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л. В. Ильина, Л. Н. Курдюмова. — Орел: ОрелГТУ, 2007.