Влияние обработки металлов давлением на структуру и свойства металлов

Реальные металлы и сплавы, используемые в машиностроении, как правило, не имеют строго упорядоченного внутреннего (атомного) строения. Дело в том, что кристаллизация металла в условиях промышленного производства начинается одновременно во многих центрах. После затвердевания такой металл состоит из огромного числа отдельных, прочно сросшихся между собой кристаллов неправильной (вследствие отсутствия условий для свободного роста в процессе кристаллизации) формы — зерен. Величина зерна поликристалла колеблется от нескольких миллиметров до 1…2 нм. Такое строение тела называют иоликристаллическим.

В поликристаллических металлах и сплавах в большей или меньшей степени присутствуют неметаллические включения в виде оксидов, сульфидов, нитридов и т. д. Как правило, температура затвердевания этих примесей ниже, чем металла, поэтому в первую очередь образуются зерна металла, а затем затвердевают неметаллические включения, которые образуют по границам зерен тонкие прослойки или отдельные включения разнообразной формы.

Пластическая деформация поликристаллического металла складывается из деформации внутрикристаллитной и деформации межкристаллитиой.

Пластическая деформация в отдельно взятом зерне происходит в основном за счет скольжения одних атомных слоев кристаллита относительно других, которое осуществляется по особым кристаллографическим плоскостям (плоскости скольжения) и направлениям (направления скольжения). Плоскостями скольжения являются плоскости с наиболее плотным расположением атомов, а направлениями скольжения — направления, по которым межатомное расстояние имеет наименьшее значение. На рис. 3.1. стрелками показаны направления наиболее плотного расположения атомов в грапецептрироваппой кубической решетке.

В некоторых металлах деформация происходит двойникованием. Этот механизм пластической деформации приводит к симметричному изменению ориентировки одной части кристалла по отношению к остальному его объему (рис. 3.2).

В процессе деформирования зерна поворачиваются, перемещаются со скольжением относительно друг друга — происходит межкристаллитная деформация. В результате пластической деформации зерна вытягиваются в направлении наибольшего течения металла и приобретают вытянутую форму. Такая структура называется строчечной или полосчатой.

Рис. 3.1. Направления наиболее плотного расположения атомов в гранецентрированной кубической решетке.

Рис. 3.2. Деформация двойникованием:

а — схема; б — двойники деформации в кристаллах цинка;

1 — плоскость двойникования; 2 — двойник При обработке металлов давлением, в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования, различают холодную, горячую и полугорячую деформацию.

При холодной пластической деформации происходит изменение механических и физико-химических свойств металла: возрастают прочность и твердость, снижается пластичность, изменяются электрические и магнитные свойства, коррозионная стойкость и меняется форма зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. В искаженной кристаллической решетке в процессе холодной деформации происходит накопление избыточной энергии. Эти явления получили название упрочнения (наклепа) металла.

С точки зрения формообразования холодная обработка металлов давлением позволяет получать изделия с высокой размерной и геометрической точностью и хорошим качеством поверхности.

Структура холоднодеформированного металла с искаженными кристаллическими решетками, деформированными зернами и значительной накопленной внутренней энергией крайне неустойчива. Даже при относительно невысоких температурах в металле начинаются разуирочняющие процессы — возврат (отдых) и рекристаллизация, снижающие эффект упрочнения.

Возвратом называется процесс разупрочнения, вызванный усилением колебаний атомов в кристаллической решетке металла в результате нагрева и перемещением их к местам устойчивого равновесия, что ведет к снижению уровня накопленной энергии без перестройки кристаллической решетки и снятию внутренних (остаточных) напряжений. Размеры и форма деформированных зерен, а также механические характеристики металла при этом почти не изменяются. Вместе с тем возврат благоприятно влияет на некоторые физико-химические свойства металла. Так, в результате возврата происходит повышение коррозионной стойкости холоднодеформироваиного металла и его электрической проводимости. Для чистых металлов абсолютная температура возврата Г_вш|1>(0_>25…0,3)7'_{плавления}.

Рекристаллизацией называются процессы, происходящие в деформированном металле, при которых в результате теплового воздействия происходят перестройка кристаллов, зарождение новых кристаллов и их рост. В равномерном температурном ноле скорость роста зерен во всех направлениях одинакова, поэтому деформированные, вытянутые зерна заменяются в процессе рекристаллизации зернами, имеющими приблизительно одинаковые размеры по всем направлениям. Рекристаллизационные процессы протекают во времени. Чем выше температура нагрева деформируемой заготовки, тем выше скорость рекристаллизации. Для чистых металлов абсолютная температура рекристаллизации.

^рек ^ ^плавления*.

Горячая деформация (деформация с полным разупрочнением) — деформация, при которой во всем объеме деформируемого тела успевают пройти процессы рекристаллизации. Для обеспечения горячей деформации необходимо соблюдать соответствующее соотношение скоростей деформации и рекристаллизации, т. е. с увеличением скорости деформации необходимо повышать температуру нагрева исходной заготовки. При горячей деформации пластичность металлов значительно выше, чем при холодной, а прочностные характеристики примерно в 8—10 раз ниже. Повышение пластичности металла позволяет обрабатывать давлением труднодеформируемые металлы и сплавы, а также крупные заготовки, используя менее мощное оборудование, чем при холодной деформации. В то же время в процессе нагрева металла до температур горячей обработки может происходить интенсивное выгорание легирующих компонентов из верхних слоев заготовки, а на самой поверхности образуется значительный по толщине слой окисленного металла — окалины. Как следствие внешние слои заготовки имеют пониженные механические характеристики, снижается точность, ухудшается качество поверхности и назначаются значительные припуски на последующую механическую обработку.

При нагреве исходной заготовки до температуры Т_возв < Т < < Г_рек в деформируемом материале возможно протекание разупрочняющих процессов обоих видов. Особенно это характерно для деформирования заготовок с большой скоростью вследствие того, что большая часть работы пластической деформации переходит в тепловую энергию, повышая общую температуру металла на несколько сотен градусов. Такая деформация называется полу— горячей. При нагреве металла до температуры полугорячей обработки сопротивление деформации снижается в несколько раз по сравнению с холодной, а пластичность оказывается несколько выше. Окисление же поверхности заготовки незначительно, что позволяет снизить припуски на последующую механическую обработку в несколько раз по сравнению с горячей обработкой.

Как уже было отмечено выше, при холодной деформации зерна металла вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла, так же ориентируются в пространстве и неметаллические включения. При высоких степенях деформации зерна и межзеренное вещество вытягиваются в волокна, и образуется так называемая волокнистая макроструктура.

При горячей обработке деформированные зерна подвергаются рекристаллизации, а волокна неметаллических включений сохраняют свою форму, т.с. и при горячей обработке металлов давлением деформированный металл приобретает волокнистую макроструктуру. Эта макроструктура сохраняется и при последующей термической обработке, и при дальнейшей обработке давлением. Волокнистая макроструктура ведет к анизотропии (векториальности) механических свойств. Прочность при растяжении и сжатии в направлении волокна больше, чем поперек волокна. Сопротивление срезу поперек волокна больше, чем вдоль. Показатели пластичности (относительное удлинение, ударная вязкость т.д.) вдоль волокон выше, чем поперек.