Пластическая деформация при повышенной температуре

При нагреве холоднодеформированного металла до некоторых температур (для чистых металлов – выше 0,4 абсолютной температуры плавления) начинается процесс рекристаллизации. При этом в деформированной структуре возникают центры перекристаллизации и растут новые равновесные и равноосные зерна, а эффект упрочнения снимается. Такая термическая обработка называется рекристаллизационным отжигом. Чем выше температура нагрева, тем выше скорость рекристаллизации (Vрекр). При деформации нагретого металла процессы упрочнения и разупрочнения (рекристаллизации) совмещаются. При t ≥ 0,7 Т плавления рекристаллизация успевает произойти во всем объеме тела, подверженного процессу деформации на прессе или между ударами молота, упрочнение при этом полностью снимается (рис. 7.1, б). Такая деформация называется горячей. Однако и при горячей деформации создаётся волокнистая микроструктура, т. к. шлаковые включения и газовые пузыри приобретают вытянутую форму в направлении деформации. Если волокнистость правильно использовать, то усталостную прочность металла, подвергнутого горячей обработке давлением, можно повысить на 20 … 30 %, по сравнению с исходным состоянием. Этот эффект используется при накатке в горячем состоянии зубьев зубчатых колёс. Слитки, получаемые при выплавке стали, имеют крайне неоднородную структуру металла (рис. 1.5). В процессе горячей пластической деформации структура стали значительно улучшается: внутренние пустоты и рыхлоты завариваются, металл уплотняется, дендриты измельчаются, повышается пластичность. Приблизительно 80 % выплавляемой стали подвергается различным видам обработок давлением. При горячей деформации точность и качество поверхности ниже из-за температурной усадки, окалины и обезуглероживания. Но при высоких температурах сохраняется высокая пластичность и низкое сопротивление деформации. Поэтому для проведения обработки требуются машины меньшей мощности. Горячая обработка давлением применяется для крупных деталей, а также малопластичных и труднодеформируемых сплавов. Изменения микроструктуры стали при пластическом деформировании см. на рис. 7.1. При нагреве стали до ∼ 1200 °С ее сопротивление деформации снижается в ∼10 раз, а пластичность повышается в 3 … 4 раза. Однако максимальная температура нагрева ограничена возможностью резкого ухудшения свойств стали вследствие перегрева и пережога.Перегрев – это чрезмерный рост зерен при нагреве, что приводит к ухудшению механических свойств металла. Заметим, что вредное влияние перегрева можно устранить термообработкой (нормализацией).

Пережог возникает в результате внутреннего окисления по границам зерен,что приводит к нарушениям связи между ними. Пережог является неисправимым браком. Минимально допускаемая температура деформации ограничена пластичностью металла. Температурный интервал ОМД для углеродистых сталей на диаграмме железо-углерод см. на рис. 7.2, а также в табл. 4.

При неравномерном нагреве возникают термические напряжения, которые могут привести к появлению в металле термических трещин. Поэтому допускаемая скорость нагрева (и охлаждения) определяется пластичностью и температуропроводностью сплава, а также величиной сечения изделия. Перепад температур по сечению не должен быть более 100 °С, поэтому крупные слитки нагревают довольно долго, например, слиток 40 т греют порядка 24 часов. Чем выше содержание углерода и процентное содержание легирующих добавок,

тем, как правило, ниже пластичность и температуропроводность. При одинаковом химическом составе пластичность материалов, полученных литьём, существенно меньше, чем подвергнутых горячей обработке давлением. Начальный период нагрева до ≈ 750 °С наиболее ответственен, т. к. именно он определяет целостность металла. Вероятность разрушения в этом периоде наиболее высока, т. к. пластичность металла низка. Поэтому продолжительность нагревания в этом периоде занимает около 2/3 времени нагрева. При более высоких температурах нагрев можно вести с большей скоростью. Нагрев производят в камерных термических печах. Нагрев в атмосферном воздухе сопровождается обезуглероживанием и окислением поверхностного слоя металла. Для снижения степени обезуглероживания и окалинообразования желательно вести нагрев с максимально допустимой скоростью либо в защитной атмосфере или в вакууме. Максимальная скорость нагрева, обеспечиваемая печью, зависит от тепловой мощности и температуры печи, коэффициента теплопередачи излучением и расположения заготовок на поду печи. При электронагреве время нагрева уменьшается в 8 … 10 раз по сравнению с нагревом газовым пламенем, угар также уменьшается в 4 … 5 раз (до 0,5 %). Расход электроэнергии ∼ 500 квт.час/кг.

Возврат и рекристаллизация

Ранее было сказано, что при холодной деформации зерна получают разную по величине упругую деформацию, в результате чего после снятия внешних сил в металле возникают остаточные напряжения.

Если холоднодеформированное, т.е. упрочненное, тело нагреть, то происходит процесс, обратный упрочнению, — разупрочнение. Процесс разупрочнения при нагреве до температуры (0,25–0,3) Тпл называется возвратом, а при нагреве выше 0,4 Тпл — рекристаллизацией. Здесь Тпл — абсолютная температура в градусах Кельвина. При нагреве до температуры возврата амплитуда тепловых колебаний атомов и их подвижность возрастают настолько, что становится возможным переход атомов из неравновесного положения в равновесное. В результате искаженная при холодном деформировании решетка частично восстанавливается, упругие деформации отдельных зерен уменьшаются, и тем самым снимаются остаточные напряжения, возникшие при холодном деформировании.

Для прохождения процесса возврата, т.е. снятия остаточных напряжений и восстановления упруго искаженной кристаллической решетки, проводят термическую обработку, называемую низкотемпературным отжигом. Возврат приводит к некоторому уменьшению сопротивления деформированию и к увеличению пластичности материала. Если проводить деформирование при температурах возврата, то интенсивность упрочнения снижается по сравнению с холодным деформированием. Размеры и форма зерен при возврате не меняются, наблюдается текстура деформации.

Термообработка при более высоких температурах называется высокотемпературным (рекристаллизационным) отжигом и приводит к практически полному разупрочнению: зерна вытянутой формы становятся равноосными, уничтожаются текстура деформации и связанная с ней анизотропия свойств, значительно снижается сопротивление деформированию, увеличивается пластичность, полностью снимаются остаточные напряжения.

Рекристаллизация — это процесс зарождения и роста новых, т. е. неупрочненных, зерен из ориентированных вытянутых упрочненных зерен. Это связано с тем, что увеличение температуры поднимает энергетический потенциал атомов настолько, что последние получают возможность перегруппировок и интенсивного обмена местами.

Различают две стадии рекристаллизации — первичную и собирательную, которые протекают последовательно. Первичная стадия заключается в образовании зародышей и росте новых неупрочненных зерен. Зародышами новых зерен становятся имеющиеся в деформированном металле ячейки с относительно правильной решеткой. К правильным ячейкам-зародышам пристраиваются близлежащие атомы искаженной решетки, и начинает расти новое зерно с правильной решеткой за счет поглощения атомов деформированного зерна. Вследствие одинаковых возможностей роста новых зерен во всех направлениях новые зерна, образующиеся из зародышей, равноосны. Собирательная рекристаллизация заключается в объединении первичных мелких зерен в крупные зерна.

Рекристаллизация происходит во времени и с некоторой скоростью, величина которой зависит от температуры и степени деформации. Чем выше то и другое, тем выше скорость рекристаллизации.

Если проводить деформирование металла при повышенных температурах, то пластическая деформация тела сопровождается протеканием двух противоположных процессов — упрочнения и разупрочнения. Величина упрочнения определяется физической природой материала и степенью деформации, степень разупрочнения — полнотой прохождения процесса рекристаллизации, зависящей от времени и скорости рекристаллизации. Совокупность значений температуры, скорости и степени деформации называют термомеханическим режимом обработки давлением. От него зависит конечная кристаллическая структура, которую будет иметь металл после деформирования.

Размеры зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависят от температуры Т0, степени e и скорости vd деформации. Величина зерна зависит также от времени выдержки металла при температуре выше Трекр. На рис. 2.23 представлена объемная диаграмма рекристаллизации, показывающая размер зерна в зависимости от температуры и степени деформации.

Рисунок 2.23

Из диаграммы видно, что размер зерна уменьшается с увеличением степени деформации и увеличивается с увеличением температуры.

Особенностью процесса рекристаллизации является наличие критической степени деформации (не более 8 – 10 %), при которой наблюдается резкий рост размеров рекристаллизованных зерен, причем с повышением температуры критическая степень деформации уменьшается.

Это явление объясняется тем, что при малых степенях деформации рекристаллизация происходит в результате внутрикристаллитных процессов без нарушения оболочки зерен и межкристаллитного вещества. Вследствие этого увеличение размеров зерен затруднено.

При критических степенях деформации число центров кристаллизации остается небольшим, а межкристаллитное вещество частично разрушается, в результате чего соседние кристаллиты соприкасаются между собой и срастаются в крупные зерна. Дальнейшее повышение степени деформации приводит к увеличению числа центров кристаллизации, а следовательно, и числа рекристаллизованных зерен, что при данном объеме тела влечет за собой уменьшение размеров зерен.

С увеличением температуры прочность межкристаллитного вещества все более уменьшается, и непосредственное соприкосновение кристаллитов происходит при все более малых степенях деформации. Этим объясняется то, что с повышением температуры критическая степень деформации смещается к началу координат.

Что касается относительного роста зерна с увеличением температуры при всех степенях деформации, то это объясняется тем, что с увеличением температуры увеличиваются подвижность атомов и возможность их перехода от деформированных к новым равноосным зернам.

Рост новообразованных равноосных зерен происходит не только за счет слияния нескольких мелких зерен в одно крупное, но и за счет перехода атомов одного зерна через границу раздела к другому зерну. Причем на одном участке зерно может расти за счет другого зерна, а на другом участке поглощаться другим соседним зерном.

В результате рекристаллизационного отжига (вид термообработки поковок) металл, имеющий текстуру деформации, меняет ее на текстуру рекристаллизации, при которой равноосные рекристаллизованные зерна имеют одинаковые направления кристаллографических осей в пространстве. Это объясняется преимущественной ориентировкой кристаллографических осей у зародышей зерен.

Величина зерна в конечном продукте играет существенную роль в части механических свойств металла. Мелкозернистая структура повышает механическую прочность, усталость и ударную вязкость металла. Поэтому при пластическом деформировании и последующей термообработке необходимо выбирать такие режимы обработки, при которых образовывалась бы мелкозернистая структура.