Холодна і гаряча пластична деформація - студопедія

Глава 3. ПЛАСТИЧНА ДЕФОРМАЦІЯ

3.1. Пластична деформація. Вплив пластичної деформації на властивості сталей. Явище наклепу. Вплив наклепу на структуру і властивості металів. Механізми пластичної деформації.

Деформацією називається зміна розмірів і форми тіла під впливом прикладеного навантаження. Сила, прикладена до тіла, зазвичай не перпендикулярна до нього, а спрямована під деяким кутом, тому в тілі виникають нормальні і дотичні напруження. Нормальні напруги підрозділяють: на розтягують (позитивні) і стискають (негативні).

Перша складова викликає нормальні напруження розтягу, які призводять до крихкого руйнування металу шляхом відриву без помітних ознак пластичної деформації. Дотичні складові викликають дотичні напруження # 964 ;, які призводять до пластичної деформації, що закінчується в'язким руйнуванням.

Пластична деформація в металі здійснюється шляхом: ковзання, двойникование і межзеренного переміщення.

Ковзання відбувається шляхом переміщення (ковзання) однієї частини кристала щодо іншої під дією дотичних напружень # 964; (Рис. 3.1.).

Рис.3.1. Схема пластичної деформації ковзанням.

Найлегше ковзання йде по площинах, найменш густо усіяним атомами, так як вона найбільш віддалені один від одного, і тому їх легше зрушити один щодо одного.

Велику роль в ковзанні грають дислокації - вони полегшують ковзання (рис.3.2).

Рис.3.2. Рух лінійної дислокації, що приводить до утворення сходинки одиничного зсуву на поверхні кристала

Під дією # 964; розривається зв'язок між атомами 1 і 2 в площині ковзання і виникає зв'язок між атомами 2 і 3. В результаті дислокація просувається вперед на одне міжатомна відстань і т.д. - це елементарний акт пластичної деформації. При виході дислокації з кристала на поверхні його утворюється уступ (сходинка) в один період решітки. Під дією # 964; зриваються нові атомні площини і утворюються нові сходинки одиничного зсуву на поверхні кристала. Отже, для просування дислокації не потрібно розривати зв'язок між усіма атомами в площині ковзання, розривається зв'язок між атомами тільки у краю дислокації. Цим і пояснюється, що реальна міцність металу значно нижче теоретичної міцності.

Під теоретичної міцністю металу - розуміють опір металу пластичної деформації і руйнування, яке повинно бути в металі, виходячи з того, що при цьому одночасно розривається зв'язок між усіма атомами в площині ковзання. Наприклад, теоретична міцність для заліза дорівнює 1340 кг / мм. а реальна міцність для заліза становить 30 кг / мм. Така велика різниця пояснюється тим, що при русі дислокації потрібно руйнувати зв'язок між атомами тільки у краю дислокації і, отже, зусилля для цього будуть потрібні значно менші.

Двійникування - це зеркальнообразное переміщення однієї частини кристала щодо іншої під дією дотичних напружень (рис.3.3).

Ріс.3.3.Схема пластичної деформації двійникуванням

Межзеренное переміщення (рис. 3.4). Під дією розтягуючого зусилля Р деформація піде насамперед в 1 зерні, де напрямок легкого ковзання збігається з дією сили Р. Воно витягується, а сусідні зерна при цьому повертаються до тих пір, поки напрямок легкого ковзання не співпаде з Р. а потім піде і в них деформація і т.д.

В результаті після деформації отримаємо волокнисту структуру (рис. 3.4, б), і механічні властивості в різних напрямках будуть неоднакові. Уздовж дії сили Р пластичність буде вище, а поперек - нижче, при цьому міцність # 963; в змінюватиметься навпаки. Різниця механічних властивостей, уздовж дії сили (прокатки) і поперек - це анізотропія механічних властивостей. Може виявитися, що в напрямку дії сили шикуються тільки площині легкого ковзання, і це називається текстурою деформації.

Рис.3.4. Зміна структури в металі під дією пластичної деформації

Явище наклепу. (Деформаційне зміцнення) Під дією пластичної деформації змінюється структура, а отже, повинні змінюватися і властивості (рис. 3.5).

Рис.3.5. Вплив ступеня деформації на механічні властивості металу

Наклеп (нагортовка) - це підвищення міцності властивостей за рахунок зниження пластичних під дією деформації. Наклеп пояснюється:

1) підвищенням щільності дислокацій;

2) спотворенням кристалічної решітки;

3) дробленням зерен;

4) освітою дрібнопористої субструктури;

5) підвищенням щільності вакансій.

Ступінь пластіческойдеформаціі визначається за формулою:

3.2. Призначення рекристаллизационного відпалу. Первинна і збірна рекристалізація. Поняття про критичну ступеня деформації.

Вплив нагрівання на структуру і властивості деформованого металу

Якщо всю енергію, витрачену на деформацію, прийняти за 100%. то 90% йде в тепло, а 10% залишається в металі, тобто енергія Гіббса в ньому на 10% вище. Тому структура після деформації нестійка і в певних температурних умовах, коли з'являється дифузійна рухливість атомів, йде перехід до більш стійкої зернистої структурі - рекристалізація.

Рекристалізація - це дифузний процес, і тому сильно залежить від температури.

При нагріванні в металі йдуть такі процеси:

1) відпочинок металу (повернення першого роду);

2) повернення другого роду (полігонізації);

3) первинна рекристалізація (рекристалізація обробки);

4) збірна рекристалізація;

Відпочинок металу (повернення першого роду). Спостерігається до 0,2 Тпл К о. При цьому рухливість набувають точкові дефекти (вакансії і дислоковані атоми) і відбувається зменшення щільності цих дефектів. Механічні властивості і структура не змінюються, але деякі фізичні властивості, такі як електропровідність, повністю відновлюються, хоча змін в мікроструктурі немає.

Повернення другого роду (полігонізації). Спостерігається при температурах до 0,3 Тпл. К о. При цьому рухливість набувають дислокації. Полігонізації йде тільки в вигнутих кристалах, де спостерігається надлишок дислокації одного знака (рис. 3.6, а). Після деформації дислокації розподіляються довільно, статистично. При нагріванні вони набувають рухливість і шикуються в ряди - стінки (субграніци), утворюючи як би багатокутник (polygon - багатокутник) (рис. 3.6, б). В результаті отримуємо полигональную структуру. При подальшому підвищенні температури субзерна ростуть. Далеко зайшла полігонізації є початкова стадія рекристалізації.

Рис.3.6. Схема полігонізації в деформованому металі

Первинна рекристалізація (рекристалізація обробки). Спостерігається при більш високих температурах, наприклад для чистих металів (0,3. 0,4) Тпл. К о. При цьому набувають диффузионную рухливість атоми і спостерігаються зміни в мікроструктурі, тобто поряд з витягнутими деформованими зернами з'являються рівноосні рекрісталлізованние зерна - це температура початку рекристалізації Тн р. (Рис. 28).

Рис.3.7. Мікроструктури після деформації (а) і рекристалізації (б)

При підвищенні температури кількість рівноосних зерен збільшується, а деформованих зменшується. Температура, коли повністю зникають деформовані зерна, називається температурою кінця рекристалізації Ткр. Рівноосні зерна мають більш досконале кристалічну будову і більш низьку щільність дислокацій.

У деформованому металі утворюються зародки рекрісталлізованной фази. У них енергія на 10% нижче, а навколо енергія на 10% вище, і ці зародки мимоволі ростуть зі зниженням енергії. В результаті після рекристалізації отримуємо структуру з равноосной рекрісталлізованнимі зернами (рис. 3.7,6).

Освіта і зростання рівноосних зерен з більш досконалим кристалічною будовою, оточених високоугловимі межами, за рахунок деформованих зерен тієї ж фази називається первинної рекристалізацією. Зародками для рекристалізації є більші субзерна з більш досконалим кристалічною будовою.

Рекристалізація - це дифузний процес, і тому сильно залежить від температури. Температура початку рекристалізації визначається за формулою ТНР = # 945; Тпл (Температури в градусах Кельвіна), де # 945; - коефіцієнт, що залежить від хімічного складу і структури, для чистих металів, # 945; = 0,3. 0,4; для твердих розчинів # 945; = 0,5. 0,6.

Температура початку рекристалізації залежить від:

а) тривалості відпалу. У сильно деформованому металі зі збільшенням часу відпалу ТНР знижується і через 1 ... 2 години досягає постійної величини.

б) ступеня деформації. Зі збільшенням її ТНР знижується.

в) наявність домішок. Чим чистіше метал тим нижче ТНР.

Після первинної рекристалізації ми отримуємо дрібнозернисту структуру. При подальшому нагріванні ці зерна мимовільно ростуть більш-менш рівномірно. При цьому поверхня кордонів зерен, а отже, і енергія Гіббса, зменшуються. Рівень механічних властивостей після рекристалізації залежить від розміру зерна. Зі збільшенням температури і часу відпалу розмір зерна збільшується і КС знижується. Крім того, розмір зерна залежить від ступеня пластичної деформації. # 949; кр для різних металів знаходиться в межах від 3 до 15%.

При деформації зі ступенем обтиску менше # 949; кр рекристалізація не йде, так як ступінь обтиску невелика і помітних змін в мікроструктурі ще немає. При деформації з обтисненням вище # 949; кр в металі йде рекристалізація, причому чим більше ступінь обтиску, тим більше виникає зародків, розмір зерна зменшується.

при # 949; кр ми отримуємо найбільше рекрісталлізованное зерно, що призводить до різкого охрупчіванію металу. З підвищенням температури відпалу диффузионная рухливість атомів зростає і розмір рекрісталлізованного зерна збільшується, а # 949; кр зменшується. На рис. 3.8 показано зміна механічних властивостей при рекристалізації.

Рис.3.8. Вплив нагрівання на механічні властивості металу зміцненого холодної деформацією.

Т1. - перегрів за рахунок збиральної рекристалізації. Зерна укрупнюються, і при цьому різко падає ударна в'язкість;

Т2 - перевитрата йде процес окислення по межах зерен, і механічні властивості погіршуються катастрофічно.

Холодна пластична деформація проводиться при температурах нижче Тн р; при цьому завжди є наклеп. Для зняття наклепу треба провести відпал рекристалізації.

Гаряча пластична деформація проводиться при температурах вище Тн р. Якщо швидкість деформації вище швидкості рекристалізації, то наклеп повністю не зніметься, і навпаки.