ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 19Следующая ⇒

Большая часть энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается). Остальная часть этой энергии (5...10 %) расходуется на повышение потенциальной энергии атомов, смещенных из исходных положений равновесия, т. е. на образование дефектов решетки. О наличии этой доли запасенной металлом энергии свидетельствует резкое повышение количества всех видов дефектов решетки, о чем говорилось в предыдущем разделе, а также рост внутренних напряжений в деформированном металле.

В главе 2 отмечалось, что состояние системы (материала) с повышенной внутренней (свободной) энергией является термодинамически неустойчивым. Поэтому неравновесная структура наклепанного металла может длительно существовать лишь при достаточно низких температурах, где диффузия атомов практически отсутствует. При нагреве такого металла до температур, при которых атомы приобретают заметную подвижность, в его структуре протекают диффузионные процессы, приводящие к постепенному возвращению свойств к исходному недеформированному состоянию с минимальной свободной энергией. Различают две основных стадии этого процесса - возврат и рекристаллизацию.

Возврат

Возврат начинается при сравнительно небольших температурах, меньших 0, 2 Т_пл. Процесс возврата захватывает только субструктуру зерен (изменяется форма блоков, из которых состоят зерна), форма и размер самих зерен не меняются. Уменьшаются плотность дефектов решетки и остаточные напряжения. В результате несколько снижаются твердость и прочность (обычно не более 10...20 %) и повышается пластичность (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Изменение механических свойств наклепанного металла (техническое железо) при нагреве

Рекристаллизация

При дальнейшем повышении температуры атомы приобретают значительную подвижность. В результате появляется возможность образования зародышей новых равноосных зерен. Рост этих зародышей приводит к восстановлению не ориентированной крупнозернистой (при достаточно высоких температурах) структуры, свойственной недеформированному металлу.

Этот процесс зарождения и роста новых зерен называется рекристаллизацией. Первый его этап - рекристаллизация обработки (или первичная рекристаллизация) начинается при Т=T_рек, называемой температурой или порогом рекристаллизации. Температура рекристаллизации связана с температурой плавления металла соотношением^{^[2]}

T_рек= a× Т_пл, (3.1)

Коэффициент а зависит от «степени дефектности решетки» (о чем подробнее в разделе 3.2.4), в частности, от чистоты металла. В металлах технической чистоты а = 0, 3...0, 4.

При Т=T_рек на границах деформированных зерен, где скапливаются дислокации и точечные дефекты (см. раздел 1.2) и, следовательно, наиболее высока свободная энергия и низка устойчивость, зарождаются новые равноосные зерна. Эти зерна имеют.неискаженную решетку с минимальным количеством дислокаций и точечных дефектов. Образование таких зерен сопряжено с уменьшением свободной энергии (энергетически выгодно - см. раздел 2.1), т. е. переводит металл в более устойчивое состояние. Плотность дислокаций при этом падает с 10¹⁰...10¹² см^-2 до 10⁶...10⁸ см^-2, снижается количество других дефектов, в результате значительно уменьшаются прочность и твердость, повышается пластичность (рис. 3.4).

Таким образом, T_рек - это температура начала рекристаллизации, при которой происходит резкое изменение свойств наклепанного металла (в частности, его разупрочнение) вследствие образования новых недеформированных зерен.

Вторым этапом процесса рекристаллизации является собирательная рекристаллизация - диффузионный рост новых зерен с неискаженной решеткой. Рост зерен происходит в результате диффузионного перемещения атомов от одних зерен к другим через границу раздела. При этом одни зерна постепенно уменьшаются и исчезают, за их счет укрупняются соседние, т. е. крупные зерна «поедают» мелкие.

Этот процесс энергетически выгоден, так как сопровождается уменьшением свободной энергии, точнее ее «поверхностной части»

F_пов = s× S, (3.2)

где S - площадь поверхности зерен; s - поверхностная энергия.^{^[3]}

Укрупнение зерен приводит к уменьшению относительной доли их поверхности. Действительно, если принять форму равноосных зерен, близкой к округлой, то отношение их поверхности S к объему V будет изменяться обратно пропорционально радиусу зерна r:

(3.3)

Значит укрупнение зерен (увеличение их радиуса r) уменьшает площадь межзеренных поверхностей раздела S, соответственно снижается F_пов и общая свободная энергия. Это приводит структуру и свойства металла к равновесному, недеформированному состоянию — упрочнение, вызванное пластической деформацией (наклеп), ликвидируется. Повышение температуры углубляет (ускоряет) этот процесс (рис. 3.4).

Таким образом, рекристаллизация — типичный процесс кристаллизации (см. главу 2), его движущей силой является уменьшение свободной энергии пластически деформированного металла. Механизм осуществления рекристаллизации - это диффузионные процессы зарождения и роста кристаллов новых, почти свободных от дефектов зерен с минимальной свободной энергией.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒