Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

Деформированный металл из-за повышенной плотности несовершенств в кристаллической решетке является термодинамически неустойчивым, и переход его в более стабильное состояние с меньшей свободной энергией не связан строго с какой-либо определенной температурой. Устранение дефектов при нагреве происходит под влиянием различных элементарных процессов с разными энергиями активации в разных температурных интервалах и с разной скоростью. В этом принципиальное отличие такого перехода от фазовых превращений.

В порядке повышения энергии активации диффузионных процессов, а следовательно, температуры их реализации, различают основные стадии структурных изменений при нагреве деформированного металла: 1) возврат; 2) полигонизация; 3) рекристаллизация, включающая первичную и собирательную.

Возврат не связан с видимым изменением микроструктуры металла, так как представляет собой процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов.

Полигонизация — низкотемпературный процесс (0,25…0,3 Гпл), заметно изменяющий (под влияние нагрева) структуру деформированного металла. Перераспределение дислокаций приводит к образованию в монокристаллах или в зернах поликристалла субзерен (полигонов), свободных от дислокаций и отделенных друг от друга малоугловыми дислокационными границами (рис. 3.11). В процессах возврата и полигонизации обычный комплекс механических свойств изменяется незначительно (рис. 3.12).

Рекристаллизация представляет собой процесс полной или частичной замены одних зерен данной фазы другими зернами той же фазы с меньшей энергией, совершающийся путем возникновения и движения (первичная рекристаллизация) или только движения (собирательная рекристалли-

Рис. 3.11. Изменение характера дислокационной ячеистой структуры холоднокатонного алюминия (а) после полигонизационного нагрева (б). Деформация на 70%, нагрев при 270 °C.

Рис. 3.12. Схема влияния нагрева на механические свойства (предел прочности с", предел текучести а₀ ?>, относительное удлинение 5) и изменение структуры деформационноупрочненного металла:

— температура рекристаллизации; г_{р (соб)} — температура собирательной рекристаллизации.

зация) границ с большими углами разориентировки (рис. 3.13).

Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки) — полная замена волокнистой структуры деформированного металла на новые равноосные зерна. Резко снижается плотность дислокаций (с 1010—1012 до 10е—108 см2),.

Рис. 3.13. Места предпочтительного формирования центров первичной рекристаллизации:

а — у тройных стыков исходных зерен (х 500); б — у границ зерен и двойников (х 500); в — у частиц других фаз (х 500); г — низкоуглеродистая сталь, первичная рекристаллизация; д — низкоуглеродистая сталь, собирательная рекристаллизация (х 300) наклеп снимается полностью, растет пластичность, снижается прочность.

Рекристаллизация начинается при нагреве выше температуры начала рекристаллизации: Г_ир = (0,1—0,2)Г_ПЛ — чистые металлы; Г_нр = 0,4Т_пл — технически чистые металлы; Т_нр = (0,5—0,6) Г_пл — сплавы.

Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. Такая термическая обработка называется рекристпаллизационный отжиг.

Собирательная рекристаллизация — рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Основная причина роста — снижение протяженности границ и уменьшение поверхностной энергии. Размер рекристаллизованного зерна зависит от температуры нагрева и степени деформации. Чем выше температура отжига, тем крупнее зерно. Степень деформации оказывает более сложное влияние на величину зерна. Малые степени деформации (в ~ 2—10%) приводят к резкому укрупнению зерна, и их называют критическими (для железа 5%, для алюминия 3%). При малых деформациях неоднородное распределение дислокаций и напряжений вызывает миграцию границ зерен и рост недеформированных зерен за счет соседних деформированных (энергетически менее выгодных).

Рекристаллизация изменяет все структурно-чувствительные свойства деформированного материала и, как правило, восстанавливает исходные структуру, текстуру и свойства (до деформации). Чем меньше зерно, тем выше прочность и вязкость металла после процесса рекристаллизации.