Рекристаллизационные процессы в наклепанном металле

Наклепанный металл находится в структурно неустойчивом состоянии. В связи с этим при определенных условиях в таком металле должны происходить процессы, приводящие его в более устойчивое структурное состояние. Главным фактором, инициирующим эти процессы, является нагрев.

При невысоком нагреве подвижность атомов металла сравнительно мала и последствия наклепа не могут быть устранены. Чем выше температура нагрева, тем больше увеличивается диффузионная подвижность атомов и в металле начинают происходить самопроизвольные процессы, приводящие его к более устойчивому состоянию.

Небольшой нагрев наклепанного металла до температуры (0,25-^0,4)Г_П1 уменьшает плотность дислокаций и в какой-то мере снижает искажения в кристаллической решетке. Это явление называют возвратом или отдыхом. При возврате происходят некоторое снижение твердости и прочности и повышение пластичности металла. Однако при возврате может происходить полигонизация, которая заключается в выстраивании беспорядочно расположенных внутри зерен дислокаций в виде стенок или сетки, создающих ячеистую структуру (рис. 4.11). В результате полигонизации процесс возврата может быть затруднен, и поэтому необходим нагрев наклепанного металла до более высоких температур.

При повышении температуры на границах деформированных зерен зарождаются центры кристаллизации. Из них за счет деформированных зерен образуются новые равноосные зерна с неискаженной кристаллической решеткой. Плотность дислокаций в рав;

Рис. 4.11. Схема полигонизации с образованием дислокационной сетки:

а — исходное состояние; б — после полигонизации ноосных зернах такая же, как и у металла в исходном ненаклепанном состоянии. Таким образом, структура наклепанного металла под действием высокой температуры постепенно восстанавливается до исходного ненаклепанного состояния. При полном снятии наклепа металл полностью разупрочняется, а его механические свойства достигают исходных значений. Описанный процесс называется рекристаллизацией.

Рекристаллизацию принято делить на два этапа. Первый этап первичная рекристаллизация — заключается в образовании мелких равноосных зерен. Второй этап — вторичная, или собирательная, рекристаллизация — происходит при более высокой температуре и заключается в росте одних рекристаллизованных зерен за счет других деформированных.

Температура начала рекристаллизации Г_р зависит от абсолютной температуры плавления Т_ил:

где коэффициент, а = 0,3-^0,4 для технически чистых металлов и, а = 0,6-^0,8 для твердых сплавов.

Следует отмстить, что чем чище металл, тем значение коэффициента, а ниже и он может достигать примерно 0,2 для металлов высокой чистоты. Кроме того, установлено, что Г_р снижается с увеличением степени наклепа.

В результате первичной рекристаллизации происходит резкое изменение механических свойств металла: предел текучести и временное сопротивление снижаются, а относительное удлинение увеличивается. При этом показатели прочности и пластичности практически достигают уровня для ненаклепанного металла.

Па рис. 4.12 показана схема изменения прочности и пластичности металла при возврате и рекристаллизации. На схеме также ус;

Рис. 4.12. Схема изменения механических свойств и структуры наклепанного металла при возврате и рекристаллизации ловно показан характер изменения структуры металла в зависимости от температуры нагрева.

Однако на показатели прочности и пластичности большое влияние оказывает размер образующихся новых зерен в процессе рекристаллизации. С увеличением диаметра зерна d понижаются прочность и пластичность. Размер зерна металла зависит от таких факторов, как температура, время выдержки при данной температуре и степень предварительного наклепа.

С повышением температуры нагрева размер зерна резко возрастает (рис. 4.13, а). Если температура нагрева постоянна, а время выдержки при этой температуре увеличивается, то размер зерна также резко возрастает в начальный период, а потом стабилизируется (рис. 4.13, б). Степень предварительного наклепа неоднозначно влияет на размер зерна (рис. 4.13, в). При наклепе 1—2% роста зерна практически не наблюдается. Однако при наклепе 3—8% происходит резкий рост зерен по механизму слияния. Такой наклеп является критическим, и его следует избегать, если металлу предстоит рекристаллизация. При увеличении наклепа выше критической величины размер зерна металла резко уменьшается, а затем постепенно стабилизируется (см. рис. 4.13, в). В этой области наклепа рост зерен происходит не за счет их слияния, а путем миграции их границ, что приводит к образованию более мелкодисперсной структуры.

Таким образом, на размер зерна металла, а следовательно, на его механические свойства могут влиять такие факторы, как температура, время выдержки и степень деформации. В связи с этим изменение величины зерна при рекристаллизации представляют в виде трехкоординатных диаграмм. Например, по одной координате откладывают значение величины зерна d, а по двум другим — температуру Т и степень наклепа г, %. Такую диаграмму называют полной диаграммой рекристаллизации; она позволяет управлять процессом рекристаллизации и прогнозировать структуру и свойства металла. На рис. 4.14 представлена полная диаграмма рекристаллизации для жаропрочного никелевого сплава, полученная А. П. Гуляевым.

Рис. 4.13. Схемы изменения размера зерна в зависимости от температуры (а), времени выдержки при постоянной температуре (б).

и степени наклепа (в).

Рис. 4.14. Полная диаграмма рекристаллизации жаропрочного никелевого сплава (А. П. Гуляев).

Контрольные вопросы и задания

• 1. В чем состоит механизм пластического сдвига в идеальном и реальном кристаллах?
• 2. Как можно объяснить большое отличие теоретической прочности металла от реальной?
• 3. Чем отличается хрупкий излом металла от вязкого излома?
• 4. Что такое наклеп металла? Изложите дислокационный механизм наклепа.
• 5. Изложите понятие возврата или отдыха при нагреве наклепанного металла.
• 6. Что такое рекристаллизация в наклепанном металле, и как она происходит?
• 7. Как изменяются структура и механические свойства металла после рекристаллизации?