Лекция 5

Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе ста­дии сопровождаются выделением теп­лоты и уменьшением свободной энер­гии. Возврат происходит при относи­тельно низких температурах (ниже       0,3 Т_пл.), рекристаллизация - при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микро­структуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарож­дение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в ре­зультате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего рав­ноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразде­ляют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакан­сий; в ряде металлов, таких, как алюми­ний и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дисло­каций разных знаков и приводит к за­метному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопро­вождается также уменьшением оста­точных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каж­дого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возни­кают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл раз­деляется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций.

Схема полигонизации: а, б — наклепанный металл до и после полигонизации соответственно

Полигонизация в металлах техниче­ской чистоты и в сплавах твердых рас­творах -наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс ред­ко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твер­дости и характеристик прочности. Блоч­ная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохра­няется почти до температуры плавле­ния. После формирования блочной структуры рекристаллизация не насту­пает, полигонизация и рекристаллиза­ция оказываются конкурентами.

Рекомендуемые материалы

Пластически деформированные ме­таллы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой пре­вышает определенное критическое зна­чение, которое называется критической степенью деформации. Если степень де­формации меньше критической, то заро­ждения новых зерен при нагреве не про­исходит.

Существует также температура рекри­сталлизации; это наименьшая темпера­тура нагрева, обеспечивающая возмож­ность зарождения новых зерен. Темпе­ратура рекристаллизации составляет не­которую долю от температуры плавле­ния металла:          T_рекр. =0,4T_пл. Для алюминия, меди и же­леза технической чистоты темпера­турный порог рекристаллизации равен соответственно 100. 270 и 450 °С.

Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г, д - стадии собирательной рекристаллизации

Зарождение новых зерен при рекри­сталлизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает цен­тров рекристаллизации. Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строе­ния. Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничто­жения дислокаций; при этом между цен­тром рекристаллизации и деформиро­ванной основой появляется высокоугло­вая граница.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к бо­лее совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.

Схемы изменения твердости (а) и пластичности (6) наклепанного металла при нагреве: I - возврат;     II - первичная     рекристаллизация; III - рост зерна

Рассмотренная стадия рекристаллиза­ции называется первичной рекристалли­зацией или рекристаллизацией обработ­ки. Первичная рекристаллизация закан­чивается при полном замещении новы­ми зернами всего объема деформирован­ного металла.

По завершении первичной рекристал­лизации происходит рост образовав­шихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристал­лизации называется собирательной ре­кристаллизацией. Этот процесс само­произвольно развивается при достаточ­но высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии.

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к со­седнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшают­ся в размерах и затем исчезают, а дру­гие становятся более крупными, погло­щая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна. Первичная рекристаллизация пол­ностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл при­обретает равновесную структуру с ми­нимальным количеством дефектов кри­сталлического строения. Свойства ме­талла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.

Холодная и горячая деформации

Деформирование металлов подразде­ляют на холодное и горячее в зависимо­сти от температуры. Холодное дефор­мирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывает­ся и сохраняет наклеп. Горячее дефор­мирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекри­сталлизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. На­пример, горячее деформирование с вы­сокими скоростями и большими дефор­мациями с дальнейшим быстрым охла­ждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.

Термическая обработка металлов и сплавов

Определения и классификация

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их струк­туры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, ин­струменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет не­сколько разновидностей.

Отжиг - термическая обработка, в ре­зультате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к рав­новесной: отжиг вызывает разупрочне­ние металлов и сплавов, сопровождаю­щееся повышением пластичности и сня­тием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге за­висит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охла­ждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30-200°С/ч.

Закалка - термическая обработка, в ре­зультате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравно­весные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, поли­морфные превращения твердых раство­ров, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной ре­акции и др. Для получения неравновес­ной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить рав­новесное превращение при охлажде­нии. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице:

Конструкционные и инструменталь­ные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к из­мельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при температуре 20-25°С фиксируется состояние высокотемпера­турного твердого раствора, значитель­ного упрочнения сплава непосредствен­но после закалки не происходит; основ­ное упрочнение создается при повтор­ном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.

Отпуск и старение — термическая об­работка, в результате которой в предва­рительно закаленных сплавах происхо­дят фазовые превращения, приближаю­щие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предпола­гает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик про­чности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый рас­твор. В этом случае основной процесс, проис­ходящий при отпуске или старении,— распад пересыщенного твердого раство­ра. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное со­стояние сплава при обработке не дости­галось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исклю­чением не влияет на структуру и свой­ства сплавов.

Термин “отпуск” используют обычно применительно к сталям и другим спла­вам, испытывающим при закалке поли­морфное превращение. Термин “старение”-применительно к сплавам, не претерпе­вающим при закалке полиморфного превращения.

Любой технологический процесс тер­мической обработки состоит из трех ос­новных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иног­да и весь процесс термической обработ­ки (отжиг) проводят в термических пе­чах.

Термическую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, ре­кристаллизации пластически деформи­рованных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слит­ках или отливках. Соответствующие опе­рации термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный от­жиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия стано­вится более равновесным.

Нагрев для снятия остаточных напря­жений

Многие технологические воздей­ствия на обрабатываемые детали сопро­вождаются возникновением в них оста­точных напряжений, которые уравнове­шиваются в объеме детали. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрика­тах, неравномерно охлаждающихся по­сле проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заго­товках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п.

Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежела­тельны. Они могут вызвать деформа­цию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, сумми­руясь с напряжениями от внешних на­грузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструк­ции; увеличивая запас упругой энергии, оста­точные напряжения повышают вероят­ность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут дости­гать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напря­жений изделия нагревают. С повыше­нием температуры предел текучести по­нижается, поэтому остаточные напряже­ния вызывают пластическую деформа­цию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре на­грева.

В стальных и чугунных деталях зна­чительное снижение остаточных напря­жений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С; после выдерж­ки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от не­скольких до десятков часов и зависит от массы изделия.

Ещё посмотрите лекцию "64 Ультразвуковая диагностика патологии аортального и митрального клапанов сердца" по этой теме.

В сплавах на основе меди и алюми­ния существенное уменьшение оста­точных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Напри­мер, в холоднодеформированных ла­тунных полуфабрикатах остаточные на­пряжения практически полностью сни­маются в процессе отжига при 250-300°С

По окончании выдержки при задан­ной температуре изделия медленно ох­лаждают, чтобы предотвратить возник­новение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пре­делах 20-200 °С/ч.

Рекристаллизационный отжиг

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдерж­ки происходит главным образом рекри­сталлизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет ре­шающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на спокойном воздухе. Цель отжига - пони­жение прочности и восстановление пла­стичности деформированного металла, получение определенной кристаллогра­фической текстуры, создающей анизо­тропию свойств, и получение заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперацион­ной смягчающей обработки при холод­ной прокатке, волочении и других опе­рациях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100-200 °С выше температуры рекристаллизации. В некоторых металлах и твердых рас­творах рекристаллизация сопровождает­ся образованием текстуры (преимуще­ственной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает ани­зотропию свойств. Это позволяет улуч­шить те или иные свойства вдоль опре­деленных направлений в деталях.  В машиностроении и приборостроении широ­кое применение находят металлы и сплавы - твердые растворы, не имею­щие фазовых превращений в твердом состоянии. В таких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пла­стической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

В реальных условиях охлаждения рас­плава кристаллизация твердых раство­ров чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации расту­щих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла - внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при вы­соких температурах, в результате кото­рой уменьшается ликвационная неодно­родность твердого раствора. При высо­кой температуре протекают диффу­зионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллиза­ции.