Влияние температуры и скорости деформации на процесс деформирования

Деформация при повышенных температурах; возврат и рекристаллизация
При нагревании деформируемого металла в последнем возникают разупрочняющие процессы, а именно возврат и рекристаллизация. Таким образом, при повышенных температурах в процессе деформации протекают одновременно как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы. При холодной деформации вследствие неодинакового направления плоскостей скольжения в зернах, неравномерного распределения деформаций в объеме заготовки; различия в форме, размерах и свойствах зерен последние получают разную по величине упругую деформацию. В результате после снятия внешних усилий в холоднодеформированном металле возникают остаточные напряжения.
 При нагреве до определенных температур амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается настолько, что облегчает возвращение атомов в положение равновесия. В связи с этим возникающие при деформировании указанные выше упругие деформации зерен в значительной мере выравниваются, что обеспечивает снижение остаточных напряжений после снятия внешних усилий (если не учитывать термических напряжений, которые могут возникнуть при неравномерном охлаждении заготовки после деформирования). Это явление называется возвратом (отдыхом).
 Для чистых металлов возврат проявляется при абсолютных температурах выше (0,25—0,30) ТПГЛ9 где Т—абсолютная температура плавления. Наличие растворимых примесей в металле приводит к увеличению температуры возврата (отдыха). Возврат в процессе обработки приводит к некоторому уменьшению сопротивления деформированию и к увеличению пластичности. Тем не менее деформирование при температурах возврата сопровождается упрочнением, хотя интенсивность его несколько меньше. Возврат не оказывает влияния на размеры и форму зерен, которые при деформации с наличием возврата, так же как и при его отсутствии, вытягиваются в направлении более интенсивного течения металла. Возврат также не препятствует образованию текстуры при деформации. Возврат протекает во времени; с увеличением температуры скорость возврата увеличивается. В связи с этим эффект возврата зависит от соотношения между температурой и скоростью деформации. Повышение скорости деформации при данной температуре может снизить эффект возврата. Возврат происходит также при нагреве (отпуске) металла  после его холодного деформирования. Нагрев холоднодеформированного металла до температуры возврата не оказывает заметного влияния на показатели его механических свойств (показатели прочности незначительно уменьшаются, а показатели пластичности несколько увеличиваются). Возврат повышает сопротивление холоднодеформированного металла коррозии и резко уменьшает возможность самопроизвольного растрескивания. Последнее явление наблюдается в деталях, полученных холодной штамповкой, особенно из латуни, и происходит под действием остаточных напряжений при уменьшении сопротивления разрушению за счет межкристаллитной коррозии.
 У ряда металлов и сплавов, например у углеродистой стали, при температурах возврата может возникать явление старения, оказывающее противоположное возврату влияние на механические свойства. Старение приводит к увеличению показателей прочности при одновременном уменьшении показателей пластичности. Физическая природа старения окончательно еще не выяснена. Предполагается, что изменение механических свойств в процессе старения происходит вследствие выпадения мелкодисперсных частиц примесей по плоскостям скольжения. Есть данные, что процесс старения связан с концентрацией примесных атомов вблизи дислокаций, а образующиеся «облака» примесных атомов затрудняют движение дислокаций [111]. Увеличение температуры деформируемого металла сверх температуры возврата ведет к возникновению процесса рекристаллизации. Рекристаллизация при пластической деформации заключается в появлении зародышей, возникновении и росте новых зерен взамен деформированных.
 Возможность рекристаллизации обусловлена тем, что увеличение температуры деформируемого металла поднимает энергетический потенциал атомов настолько, что последние получают возможность перегруппировок и интенсивного обмена местами. Зародышами новых зерен становятся имеющиеся в деформируемом металле ячейки с относительно правильной, не искаженной в процессе деформации решеткой (отдельные блоки мозаики, обломки зерен на плоскостях скольжения или в пограничных межзеренных слоях). К этим зародышам в соответствии с параметрами решетки пристраиваются атомы, смежные с зародышами зерен, и начинают расти новые зерна. Последние увеличиваются в размерах и с течением времени могут полностью поглотить атомы деформированных зерен. Вследствие одинаковой возможности роста новых зерен по всем направлениям новые образующиеся из Б2 зародышей зерна равноосны, т. е. имеют в среднем одинаковые размеры по всем направлениям. Таким образом, деформация металла при температурах выше температуры рекристаллизации сопровождается двумя противоположно и одновременно действующими процессами: деформацией зерен (упрочнением) и их рекристаллизацией. Процесс рекристаллизации происходит во времени с некоторой скоростью, которая зависит от температуры и степени деформации. Чем выше температура и степень деформации, которую получает деформируемое тело, тем выше скорость рекристаллизации. Конечный результат зависит от соотношения между скоростью деформации и скоростью рекристаллизации: Если в процессе ьдеформации рекристаллизация идет с такой скоростью, что в результате все зерна деформированного металла получают равноосную форму, а кристаллическое строение их соответствует строению недеформированных зерен, то изменения свойств металла, вызываемого упрочнением, не произойдет. Для чистых металлов, по данным А. А. Бочвара, температура начала рекристаллизации определяется из соотношения где Трекр — абсолютная температура рекристаллизации; Тпл — абсолютная температура плавления. Наличие растворимых примесей несколько повышает температуру рекристаллизации. Температура начала рекристаллизации для сплавов обычно выше, чем для составляющих сплав металлов, хотя температура плавления ниже. Объясняется это, очевидно, тем, что перестройка решетки из разнородных атомов требует более высокого энергетического потенциала.
 В процессе рекристаллизации облегчается диффузия атомов как внутри кристаллитов, так и по границам зерен, что способствует уменьшению химической неоднородности зерен и снятию повреждений, возникающих по границам зерен в результате межкристаллитной деформации. Размеры равноосных зерен в металле, деформированном при наличии рекристаллизации, зависят от температуры, при которой происходит рекристаллизация, от степени деформации, а также от скорости деформации. Связь между величиной зерна после деформации с рекристаллизацией, температурой и степенью деформации обычно представляется объемными диаграммами рекристаллизации (второго рода), которые строятся по результатам специально проводимых экспериментов и являются характерными для каждого металла и сплава. На рис. 2.1 представлена объемная диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали. Аналогичный характер имеют диаграммы рекристаллизации и для других металлов и сплавов. Особенностью зависимости величины зерна после деформации с рекристаллизацией от степени деформации является наличие так называемых критических степеней деформации, при которых наблюдается резкое увеличение размеров рекристаллизованных зерен. Величина критической степени деформации при температурах, близких к температуре начала рекристаллизации, обычно не превышает 8—10% и уменьшается при увеличении температуры (зона критических степеней деформации смещается к началу координат).
 Наличие критических степеней деформации можно объяснить следующим образом. В начальной стадии деформация происходит в основном за счет внутрикристаллитных процессов без нарушения межкристаллического вещества, обволакивающего зерна.. Вследствие этого увеличение размеров зерен при рекристаллизации путем их объединения затруднено. Кроме того, при относительно малой величине деформаций количество образовавшихся блоков — обломков кристаллитов — невелико, а следовательно, невелико и число возможных центров рекристаллизации. При критических степенях число центров рекристаллизации остается небольшим (несколько увеличивается), однако межкристаллическое вещество частично разрушается, что приводит к непосредственному соприкосновению кристаллитов. Это обстоятельство в процессе рекристаллизации облегчает присоединение атомов соседних" зерен к новому зерну, растущему из центра рекристаллизации, что в конечном итоге приводит к объединению нескольких деформированных зерен в одно, т. е. к увеличению размеров рекристаллизованных зерен. Дальнейшее увеличение степени деформации приводит к увеличению числа центров рекристаллизации, а следовательно, и числа рекристаллизованных зерен, что при данном объеме тела дает уменьшение их размеров. С увеличением температуры прочность межкристаллического вещества уменьшается, непосредственное соприкосновение кристаллитов происходит при меньших степенях деформации, что и вызывает смещение критических степеней деформации к началу координат. С ростом температуры увеличивается подвижность атомов, облегчающая объединение соседних зерен в процессе рекристаллизации, что приводит к относительному увеличению размеров рекристаллизованных зерен при всех степенях деформации. В работах ряда отечественных ученых было показано, что у некоторых сортов стали при весьма высоких степенях деформации наблюдается появление второго максимума на кривых рекристаллизации (рис. 2.2). Появление второго максимума связывают с тем, что при больших деформациях образующаяся текстура и размытие межкристаллических прослоек облегчают объединение смежных зерен в процессе рекристаллизации.
 Величина зерна после рекристаллизации зависит еще и от длительности выдержки нагретого металла при температурах, превышающих температуру рекристаллизации. При длительной выдержке наблюдается так называемая собирательная рекристаллизация, сущность которой состоит в том, что размеры равноосных зерен, получившихся в результате рекристаллизации обработки, увеличиваются вследствие их объединения.
 Собирательная рекристаллизация протекает медленнее, чем рекристаллизация обработки. Возможность роста зерен при собирательной рекристаллизации обусловлена стремлением атомов в процессе перестройки занять положения, отвечающие минимуму потенциальной энергии. Искажения правильности взаимного расположения атомов, имеющиеся в поверхностных слоях зерен, увеличивают потенциальную энергию, накопленную в поликристалле. При увеличении размеров зерен суммарная поверхность их уменьшается, а следовательно, уменьшается и накопленная в теле потенциальная энергия. Особенно интенсивно собирательная рекристаллизация происходит при температурах, значительно превышающих температуру начала рекристаллизации. Рекристаллизация происходит также и при нагреве холоднодеформированного металла до температуры, несколько превышающей температуру начала рекристаллизации (низкий или рекристаллизационный отжиг). Величина зерен, получившихся в результате рекристаллизации холоднодеформированного металла, зависит от степени деформации, которую получила заготовка. или отдельные , ее, участки, от температуры-рекристаллизации и от времени выдержки при этой температуре. Характер зависимости величины зерна от этих факторов аналогичен рассмотренному ранее. В этом случае также имеются критические степени деформации, при которых наблюдается значительное увеличение размеров рекристаллизованных зерен, причем тем больше, чем выше температура нагрева (диаграммы рекристаллизации первого рода). Интересно отметить, что
 температура начала рекристаллизации несколько уменьшается с увеличением степени предварительной холодной деформации. Это объясняется увеличением энергетического потенциала деформированного металла при упрочнении.
 Рекристаллизация холоднодеформированного металла, получившего весьма большую степень деформации и имеющего текстуру деформации, может привести к устранению текстуры. Однако это бывает не всегда.
 В результате рекристаллизационного отжига металла, имеющего текстуру деформации, может получиться так называемая текстура рекристаллизации, характеризующаяся тем, что кристаллографические оси рекристаллизованных равноосных зерен имеют преимущественную ориентировку в пространстве (большинство зерен имеет одинаковое направление кристаллографических осей в пространстве). Текстура рекристаллизации может быть идентична исходной текстуре деформации, но может и отличаться от нее, т. е. направления преимущественной ориентировки кристаллографических осей в теле после рекристаллизации изменяются.
 Возникновение текстуры рекристаллизации объясняется, очевидно, тем, что зародыши новых зерен, существующие в деформированном металле, имеют преимущественную ориентировку кристаллографических осей в пространстве. Текстура рекристаллизации, а также возможность устранения текстуры деформации без образования новой текстуры после отжига зависят от состава сплава и содержания примесей, от степени деформации, полученной при холодном деформировании, от характера текстуры деформации, от температуры отжига и его продолжительности. Наличие текстуры рекристаллизации приводит к анизотропии механических свойств в отожженном металле, что может сказаться на служебных свойствах полученной детали или на поведении отожженной заготовки при последующей пластической деформации. Так, например, образование фестонов (ушей) при вытяжке стакана из плоской круглой заготовки является следствием наличия в прокатанном (и отожженном) металле (листе) текстуры рекристаллизации.