ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДЕФОРМИРОВАННЫХ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Деформацией называется изменение размеров и формы материала под действием приложенных сил, которые могут быть как внешними, приложенными к телу, так и внутренними, вследствие физико-механических процессов в самом теле (изменение объема отдельных кристаллов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).
Деформации подразделяют на упругие, исчезающие после снятия нагрузки и пластические, которые остаются после окончания действия приложенных сил. Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и устраняет влияние концентраторов напряжений.
4.1. Механизм пластического деформирования
При возрастании касательных напряжений в металле выше определенной величины (
к
, где
к
– критическое напряжение) деформация становится необратимой и после снятия нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, а пластическая составляющая остается, т.е. происходит сдвиг одной части металла относительно другой.
Сдвиг может осуществляться скольжением и двойникованием. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, которая называется плоскостью скольжения или сдвига.
Двойникование сводится к переориентировке части кристалла в положение, зеркально симметричное к его недеформированной части. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение и возникает в случае, когда скольжение затруднено.
Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов там, где величина сопротивлению сдвигу (
к
) наименьшая. Плоскость скольжения вместе с
68 направлением скольжения,
принадлежащим этой плоскости, образуют систему скольжения.
Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них может происходить по многим направлениям.
Металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой менее пластичны и труднее поддаются деформации.
При скольжении не происходит одновременного передвижения одной части кристалла относительно другой. Такой синхронный сдвиг потребовал бы напряжений в тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.
Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (
рис.
4.1,
а). При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений в направлении, указанном стрелкой, атомы вблизи ядра дислокаций перемещаются справа налево на расстояния (позиции: 1
2;
3
4; 5
6; 7
8; 9
10; 11
12; 13
14; 15
16; 17
18), значительно меньшие межатомных. Смещение атомов происходит не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости.
Перемещение дислокаций в плоскости скольжения ММ через весь кристалл приводит к сдвигу соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (
рис.
4.1,
а, б,…, д) с образованием на поверхности кристалла ступеньки.
В процессе деформации возникают новые дислокации по механизму Франка-
Рида (
рис.
4.2). Под действием касательных напряжений закрепленная дислокация выгибается (
рис.
4.2, позиции
1-3). Затем происходит самопроизвольное распространение изогнутой дислокации в две спирали, при встрече которых возникает расширяющаяся дислокационная петля и отрезок дислокации (
рис.
4.2, позиции
4-6). Отрезок распрямляется, занимает исходное положение (
рис.
4.2, позиция
7) и цикл образования дислокаций
69 повторяется. Один источник Франка-Рида может образовать сотни дислокаций.
Рис. 4.1. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла: а – схема движения дислокации; б – краевая дислокация в кристаллической структуре: в, г – перемещение дислокации на одно и два межатомных расстояния в решетке под воздействием влияния приложенного напряжения
(τ); д - выход дислокации на поверхность и появление сдвига; 1- 18 – позиции атомов. М-М – плоскость скольжения.
Таким образом, упрочнение металлов при деформации определяется повышением плотности дислокаций до 10 11
…10 12
см
-2
вместо 10 6
…10 8
см
-2
до деформации.
Упругие поля
дислокаций взаимодействуют между собой, при этом расположенные в одной плоскости скольжения дислокации одного знака отталкиваются одна от другой, а дислокации разного знака – притягиваются и при сближении взаимно уничтожаются (аннигиляция).
70
Рис. 4.2. Последовательность образования (этапы 1-7) новой дислокации при действии источника Франка – Рида.
4.2. Изменение структуры металла при пластической деформации
Большинство металлов имеют поликристаллическую структуру, в которой зерна ориентированны не одинаково. Пластическая деформация в этом случае не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме металла. На рис.
4.3 представлена схема изменения микроструктуры поликристаллического металла при деформировании.
Рис. 4.3. Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации: а – исходное состояние (ε=0); б - ε=1%; в - ε=40%; г - ε=80-90%;
ε – степень деформации.
Пока общая деформация мала ( 1%), зерна, вследствие различной ориентации их по отношению к приложенной нагрузке, деформируются неоднородно (
рис.
4.3, б). С ростом степени деформации в результате процессов скольжения зерна вытягиваются в направлении приложенных сил,
71 образуя волокнистую или слоистую структуру, при этом внутри самих зерен происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними (
рис.
4.3,
в). При очень больших степенях деформации (80…90%) возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен – текстура деформации (
рис.
4.3,
г). Характер текстуры зависит от вида деформации, природы металла, наличия примесей и условий деформации.
Образование текстуры приводит к анизотропии механических и физических свойства металла.
4.3. Деформирование двухфазных сплавов Для каждой фазы, присутствующей в сплаве имеются свои системы скольжения и значения критических напряжений сдвига, что приводит к образованию в двухфазных сплавах более сложных текстур деформации.
Процесс деформирования в таких сплавах определяется свойствами второй фазы, ее количеством, а также распределением частиц в основе. Хрупкая вторая фаза, расположенная по границам зерен,
приводит к охрупчиванию сплава, если же частицы второй фазы размещены равномерно по зерну пластичной основы, то прочность сплава увеличится при сохранении его пластичности.
При встрече движущейся дислокации с когерентными частицами она перерезает последние (
рис.
4.4,
а), а в случае некогерентных частиц вокруг них возникают дислокационные петли (
рис.
4.4,
б). В обоих случаях наблюдается упрочнение сплава, но если в первом случае при перерезании когерентных частиц множеством дислокаций напряжение течения остается постоянным, то в случае некогерентных частиц оно будет нарастать по мере увеличения дислокационных петель вокруг каждой частицы.
4.4. Наклеп и разрушение При холодном пластическом деформировании металл запасает 5…10% энергии, затраченной на деформирование. Увеличивается плотность дислокаций в сплаве (до 10 12
см
-2
), что приводит к увеличению прочностных
72 характеристик сплава и уменьшению его пластичности и ударной вязкости.
Это явление получило название наклепа. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. При очень больших степенях деформации предел текучести (
,
) растет быстрее временного сопротивления (
в
), и при достижении их равенства пластичность практически становится равной нулю. Дальнейшее деформирование сплава приводит к его разрушению.
Рис. 4.4. Схемы перемещения дислокаций в двухфазном сплаве: а – при перерезании частиц второй фазы; б – при образовании дислокационных петель; А-А – плоскость движения дислокаций; 1-5 – последовательные стадии перемещения дислокаций; τ – касательные напряжения.
Процесс разрушения состоит из двух стадий – зарождения трещины и ее распространения через все сечение детали, при этом разрушение может быть хрупким и вязким. Независимо от характера разрушения возникновения микротрещин связано с образований скоплений дислокаций перед каким- либо препятствием (барьерный механизм) или в результате взаимодействия дефектов кристаллической решетки (бубарьерный механизм).
73
Скорость распространения трещины в хрупком теле, ее скорость достигает скорости звука (2500 м/с), а для вязкого тела скорость распространения трещины невелика.
При прохождении трещины по телу
зерна разрушение может быть как вязким, так и хрупким.
При прохождении трещины по телу зерна – транскристаллитное разрушение
– оно может быть как вязким, так и хрупким, и характерно для металлов с
ОЦК и ГПУ решетками (высокопрочные стали, титановые сплавы и другие).
Если трещина распространяется по границам зерен (интеркристаллитное или межзеренное разрушение) – оно всегда является хрупким. К типично хрупким материалам относятся чугуны, многие литые сплавы, закаленные стали и другие.
С увеличением деформации повышается удельное электросопротивление (до
6%), у ферромагнетиков (большинство сталей) понижается магнитная проницаемость и остаточная индукция. Наклеп понижает плотность сплава из-за нарушения порядка размещения атомов при увеличении плотности дефектов и образования микропор. Это уменьшение плотности используется для увеличения долговечности деталей подверженных знакопеременным нагрузкам (используется поверхностное пластическое деформирование).
Механизм увеличения долговечности следующий: В результате наклепа поверхностного слоя в нем возникают напряжения сжатия. Под этими слоями появляются напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием мягких и пластичных сплавов.
4.5. Возврат и рекристаллизация Состояние деформированного (наклепанного) сплава термодинамически неустойчиво даже при комнатных температурах. При нагреве ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются благоприятные условия для
74 перераспределения дислокаций и уменьшения их количества. В процессе нагрева деформированного металла в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации при этом происходит возвращение всех свойств сплава к их значениям до деформации.
Нагрев деформированного металла до относительно невысоких температур
((0,2…0,35)
Тплавления
) инициирует процесс возврата, в результате которого изменяется тонкая структура и свойства деформированного металла без изменения его микроструктуры. Таким образом, размеры и форма зерен при возврате не меняются.
В процессе возврата различают две стадии – отдых и полигонизацию.
При температуре порядка ((0,2…0,3)
Тплавления
) в деформированном металле протекает процесс отдыха, при котором уменьшается количество точечных дефектов и перераспределение дислокаций без образования новых малоугловых границ – субграниц.
Вторая стадия возврата – полигонизация ((0,30…0,35)
Тплавления
) приводит к образованию субзерен (полигонов), разделенных малоугловыми границами.
В процессе нагрева деформированного металла избыточные дислокации в результате самодиффузии атомов выстраиваются в дислокационные стенки и образуют в зернах субзерен, свободных от дислокаций (
рис.
4.5).
Образование субзеренной структуры, практически не уменьшая прочность наклепанного металла, заметно снижает остаточные напряжения в структуре и повышает сопротивление коррозионному растрескиванию. Укрупнение субзерен при увеличении времени выдержки или повышении температуры приводит к снижению прочности. Как правило, в процессе возврата комплекс механических свойств практически не изменяется.
Рекристаллизацией называется процесс зарождения и роста новых равноосных зерен. В зависимости от температуры нагрева различают первичную, вторичную и собирательную рекристаллизации. При первичной рекристаллизации старое
зерно наклепанного металла не восстанавливаются, а образуются новые зерна округлой формы вместо ориентированной
75 структуры деформации (
рис.
4.6, а,…, в). В результате рекристаллизации практически полностью снимается наклеп, свойства рекристаллизованного металла становятся сопоставимыми со свойствами отожженного.
Рис. 4.5. Схема стабилизирующей полигонизации: а – хаотическое распределение дислокаций в изогнутом кристалле; б – стенки дислокаций после полигонизации.
Рис. 4.6. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г – рост зерен; д – образование равновесной структуры.
Наименьшую температуру рекристаллизации, при которой происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации (Т
рек
). Т
рек тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или меньше величина зерна до деформации и количество примесей в металле. По А.А. Бочвару температура начала рекристаллизации определяется соотношением: Т
рек
=
Т
плавления
, где:
- безразмерный коэффициент, учитывающий чистоту металла и степень
76 деформации. Для чистых металлов, подвергнутых значительному деформированию (
90%) коэффициент
составляет порядка 0,1…0,2, для технически чистых металлов он увеличивается до 0,3…0,4. У сплавов на основе твердых растворов
=0,5…0,6, а для многокомпонентных сплавов, упрочненных тугоплавкими частицами второй фазы, значения коэффициента
может достигать 0,7…0,8.
После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других – собирательная рекристаллизация (
рис.
4.6, г). Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела. При этом границы растущих зерен перемещаются к центру кривизны. Термодинамически этот процесс выгоден, так как благодаря уменьшению протяженности границ при росте зерен, уменьшается поверхностная энергия металла и увеличивается стабильность системы.
Стадия собирательной рекристаллизации завершается образованием зерен – многогранников с углами разориентировки между соседними гранями порядка 120
(
рис.
4.6, д).
При более высоких температурах наклепанного металла происходит неравномерный рост одних зерен за счет других – вторичная рекристаллизация и структура представляет собой смесь очень мелких и крупных зерен – гигантов. Возникшая разнозернистость структуры отрицательно сказывается на всех механических свойствах металла.
Размер рекристаллизованного зерна оказывает большое влияние на свойства металлов и сплавов. С уменьшением размера зерна повышаются характеристики прочности и пластичности, увеличивается вязкость металла.
Размер зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени деформации и температуры рекристаллизации и в меньшей степени от времени выдержки при нагреве. При небольших степенях деформации (
=3…15%) нагрев не вызывает рекристализации.
77
Такую степень деформации называют критической (
кр
), увеличение степени деформации выше
кр приводит к первичной кристаллизации.
На рис.
4.7, а приведена зависимость размера зерна рекристаллизированного металла от степени деформации, а на рис.
4.7, б представлена диаграмма рекристаллизации железа.
Рис. 4.7. Зависимость размера зерна (D) рекристаллизированного металла от деформации (а) и диаграмма рекристаллизации технически чистого железа
(б):
Dо – размер исходного зерна.
4.6. Холодная и горячая деформации. Сверхпластичность
В зависимости от соотношения температур деформации и плавления различают холодную и горячую деформации.
При холодной деформации температура нагрева не превышает температуру рекристаллизации, поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением за счет образования наклепанной структуры.
Горячей называют деформацию с нагревом до температур, превышающих температуру рекристаллизации. При этих температурах в металле также возникает упрочнение, которое полностью или частично снимается одновременно протекающими процессами рекристаллизации.
78
Обработка, при которой металл имеет частично рекристаллизованную структуру, называется теплой деформацией, и процесс деформации больших сечений такого металла с большими обжатиями затруднен.
При горячем деформировании металлов с очень мелким зерном (0,5…10мкм) и низких скоростях деформирования (10
-5
…10
-4
с
-1
) материал течет равномерно без упрочнения.
Такое явление называется сверхпластичностью, при этом относительные удлинения в отдельных случаях достигают 1000%.
Явление сверхпластичности широко применяется на практике и в ряде случаев является единственным способом получения изделий сложной формы, когда металл нужно деформировать без разрушения на 200…300% и выше.
Контрольные вопросы 1.
Что такое пластическая деформация?
2.
По каким плоскостям кристаллической решетки протекает сдвиг скольжением?
3.
Что происходит с зернами при больших деформациях?
4.
Как происходит деформирование двухфазных сплавов?
5.
Что такое наклеп?
6.
Что такое возврат?
7.
Что такое первичная рекристаллизация?
8.
Что такое сверхпластичность?
Скачать 4.56 Mb.