Деформация металла

Деформация металла

1. Влияние холодной пластической деформации и рекристаллизации на микроструктуру и механические свойства низкоуглеродистой стали

Деформация - это изменение линейных размеров и формы тела под действием приложенной силы (нагрузки).

Упругая деформация (обратимая) исчезает после снятия нагрузки.

Пластическая деформация (необратимая) не исчезает после снятия нагрузки.

Абсолютная деформация - абсолютное изменение линейных размеров длины l, ширины b или высоты h, которое обозначается ∆1, ∆b, ∆h соответственно и измеряется в единицах длины.

Относительная деформация (степень деформации) - это отношение абсолютной деформации к начальному размеру. Она обозначается буквами δ, β или ε и является величиной безразмерной или выражается в процентах.

2. Пластическая деформация и ее влияние на свойства металлических материалов

Пластическая деформация возникает при напряжениях, превышающих предел упругости σ_упр или предел текучести σ_т. При этом чем больше величина деформирующего напряжения, тем больше степень деформации. Важнейшим практическим следствием пластической деформации является упрочнение металла. Упрочнение металла в процессе пластической деформации называется наклепом. Это выражается в повышении характеристик прочности (твердость, пределы текучести и прочности) и снижении пластичности и вязкости (относительное удлинение, ударная вязкость) (рисунок 1).

Пластическая деформация носит сдвиговый характер и осуществляется путем перемещения дислокаций по плоскостям и направлениям скольжения, причем количество дислокаций (плотность) возрастает. Это приводит к искажениям кристаллической решетки и упрочнению металла. Сущность упрочнения заключается в торможении дислокаций, в возникновении препятствий для их перемещения.

Рисунок 1 - Влияние степени пластической деформации на структуру и свойства металла

При пластической деформации изменяется микроструктура металла. Зерна вытягиваются, и структура приобретает волокнистое строение. Кроме того, зерна поворачиваются в направлении, благоприятном для сдвига, в результате чего возникает одинаковая кристаллографическая ориентировка зерен в пространстве - текстура.

Итак, при пластической деформации увеличивается плотность дислокаций, изменяется микроструктура, повышается прочность и снижается пластичность и вязкость.

3. Влияние температуры нагрева на микроструктуру и твердость деформированного металла

металл рекристаллизация деформация нагрев

Пластически деформированный металл находится в структурно-неустойчивом состоянии. В нем повышена плотность дислокаций, вакансий. В таком металле даже при комнатной температуре могут протекать процессы, приводящие его в более устойчивое состояние. При повышении температуры скорость этих процессов возрастает. По характеру внутренних превращений различают процессы возврата (отдыха) и рекристаллизации.

Возврат протекает при сравнительно низких температурах, когда подвижность атомов мала. На этой стадии частично снижаются внутренние напряжения за счет уменьшения искажений кристаллической решетки, связанного с перераспределением дислокаций и уменьшением плотности точечных дефектов кристаллического строения. При этом не наблюдается изменения микроструктуры по сравнению с деформированным состоянием.

Частичное (незначительное) изменение механических свойств за счет снятия упругих искажений кристаллической решетки без заметного изменения микроструктуры называется возвратом.

Рисунок 2 - Зависимость механических свойств от температуры нагрева деформированного металла

Минимальная температура, при которой возможен процесс рекристаллизации, называется температурным порогом рекристаллизации или температурой рекристаллизации Т_р. Абсолютная температура рекристаллизации зависит от абсолютной температуры плавления металла Т_пл (формула Бочвара):

Т_р = а ∙ Т_пл,                   (1)

где а - коэффициент, зависящий от состава и структуры металла;

для металлов высокой чистоты а = 0,1 - 0,2;

для металлов технической чистоты а = 0,3 - 0,4;

для сплавов а = 0,6 - 0,8;

для углеродистых сталей а = 0,4.

Рекристаллизация металлов протекает в две стадии.

Первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, - это появление центров новых зерен и их рост за счет деформированных зерен. Чем больше центров, тем мельче получается зерно.

Собирательная рекристаллизация представляет собой процесс роста уже рекристаллизованных зерен. Чем выше температура, тем быстрее идет этот процесс.

В результате процесса рекристаллизации не восстанавливается старое зерно, а возникает новое, размер которого зависит от многих факторов: степени предшествующей деформации ε, температуры нагрева Т_н, скорости нагрева υ_н‚ времени выдержки τ_в. Чем больше ε и υ_н‚ тем мельче получается зерно. Чем выше Т_н и больше τ_в, тем крупнее зерно.

Нагрев деформированного металла выше температуры рекристаллизации с целью снять наклеп называют рекристаллизационным отжигом. Обычно температуру отжига выбирают намного выше, чем температура рекристаллизации, когда с заметной скоростью идет процесс рекристаллизации и для снятия наклепа (разупрочнения) не требуется больших выдержек. Например, для меди температура рекристаллизации - 270°С, а температура отжига - 650°С.

4. Холодная и горячая пластическая деформация

Холодная деформация происходит при температурах ниже температуры рекристаллизации. В ходе этого процесса металл упрочняется. Его упрочнение зависит от степени деформации.

Горячая деформация - это деформация при температурах выше температуры рекристаллизации. При этом металл упрочняется за счет пластической деформации и разупрочняется за счет рекристаллизации. Конечный эффект будет зависеть от соотношения скоростей деформации и рекристаллизации. Чем выше температура, тем больше вероятность полного разупрочнения металла.

Литература

1.   Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.

2.       Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургия, 199 - 448 с.

.        Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 622 с.

.        Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. - 268 с.

.        Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. - Орел: ОрелГТУ, 2007.