1) Возврат и рекристаллизация. Горячая деформация.
При холодной деформации металла образуется текстура и происходит его упрочнение, в результате чего металл находится в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. Наклёпанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшей энергией. Восстановительные процессы ( или разупрочнение) сводятся в основном к снятию искажений и остаточных напряжений в кристаллитах. Так как эти процессы при комнатной температуре 80
для большинства металлов протекают медленно и совершаются путем перемещений атомов, решающее влияние; на эти процессы оказывает температура.
У большинства металлов и сплавов при комнатной температуре подвижность атомов недостаточна, чтобы обеспечить удовлетворительное развитие процессов разупрочнения.Чтобы наклепанный металл после холодной обработки давлением перешел в более равновесное состояние, его нагревают до определенной температуры.
В зависимости от температуры в деформированном металле протекают различные процессы разупрочнения: возврат и рекристаллизация. При температурах ниже 0,20 Тпл (где Тпл— абсолютная температура плавления металла, К) при пластической деформации протекают преимущественно процессы упрочнения, а при температурах (0,20.. .0,30) Тпл одновременно протекают как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы.
Сущность процесса возврата или отдыха состоит в том, что при деформировании металла, нагретого до температур(0,20...0,30) Тпл, повышается кинетическая энергия атомов и амплитуда их тепловых колебаний увеличивается настолько, что облегчает возвращение атомов в положения равновесия, отвечающие минимуму потенциальной энергии, происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перегруппировка дислокации (полигонизаиия). Возникающие при пластическом деформировании искажения кристаллической решетки и упругие деформации зерен в значительной степени снимаются, что обеспечивает некоторое снижение остаточных напряжений и частичное восстановление механических и физико-химических свойств металла. В результате протекания возврата твердость и прочность несколько снижаются, а пластичность возрастает, хотя исходных значений они не достигают. Частичное устранение искажений кристаллической решетки при возврате не оказывает влияния на микроструктуру металла. Возврат не препятствует образованию текстуры при деформации.
Возврат может происходить не только при деформировании нагретого металла, но и при нагреве металла до определенной температуры после холодной деформации. В этом случае он также частично снимает искажения кристаллической решетки, обеспечивая некоторое снижение остаточных, напряжений, уменьшение прочности, увеличение пластичности (рис. 6.3), но не оказывает влияния на размеры и форму зерен.
При нагреве деформированного металла (рис.1, а) выше: температуры возврата наступает процесс рекристаллизации.
Сущность процесса рекристаллизации состоит в том, что при температурах выше 0,3Тплэнергетический потенциал атомов и их подвижность возрастают настолько, что они могут перегруппировываться и интенсивно, обмениваться местами. Отдельные не искаженные в процессе деформации ячейки кристаллической решетки становятся зародышами новых зерен. К ним пристраиваются отдельные атомы или группы атомов смежных деформированных зерен, у которых решетка искажена и атомы находятся в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. В результате из зародышей начинают расти новые более или менее равновесные зерна (рис. 6.4, б, в). Новые зерна постепенно увеличиваются в размерах и с течением времени полностью поглощают деформированные зерна (рис. 6.4, г).
σв, δ
Рис. 1. Влияние температуры нагрева на механические свойства деформированного металла:
I—возврат; II — рекристаллизация; III—собирательная рекристаллизация; tн.р—температура начала рекристаллизации; tп — температура перегрева
Рис. 6.4. Схема изменения микроструктуры деформированного металла при рекристаллизации: а—деформированный металл; б—г—начало, промежуточная стадия и конец рекристаллизации.
Рентгеновский анализ показывает, что новые зерна отличаются от старых не только формой, но и более совершенным внутренним строением без существенного искажения кристаллической решетки. Образование и рост новых зерен в процессе деформации, с менее искаженной решеткой за счет деформированных зерен называют рекристаллизацией обработки. Этот процесс заканчивается тогда, когда исчезают все деформированные зерна.
Процесс рекристаллизации является диффузионным процессом; он протекает во времени с некоторой скоростью, величина которой зависит от температуры, степени деформации и скорости нагрева. Чем выше температура, степень деформации и скорость нагрева металла, тем выше скорость рекристаллизации.
Температура начала рекристаллизации зависит от степени деформации и других факторов. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации уменьшается, стремясь к определенному пределу. Наиболее низкую температуру (нижний предел) начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Для металлов сравни-
тельно чистых (примерно 99,99%) температуру начала рекристаллизации tр по А. А. Бочвару определяют по формуле
tp = m ( tпл + 273) - 273, °С,
где tp и tпл —температура соответственно рекристаллизации и плавления, °С; т—коэффициент пропорциональности.
При расчете температуры рекристаллизации технически чистых металлов (Fе, W, А1, Zn и др.) в формуле для расчета tр принимают коэффициент пропорциональности m==0,4; для титана 0,37; для меди 0,35 и т. д. Для сплавов твердых растворов этот коэффициент равен 0,5.. .0,6.
а
Рис.1,1. Объемная диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали (а) и наличие второго максимумана кривой рекристаллизации(б)
Деформирование нагретого металла выше температуры (0,7.. .0,8)tпл, т. е. выше температуры рекристаллизации, представляет собою горячую деформацию. Она сопровождается одновременным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения.
Конечный результат этих процессов зависит от соотношения скоростей горячей деформации и рекристаллизации. Если скорость рекристаллизации больше или равна скорости горячей деформации, то упрочнение металла при деформировании полностью снимается. Если скорость горячей деформации больше скорости рекристаллизации, то разупрочнение полностью не осуществляется, и металл получает некоторое упрочнение.
Величина зерен металла, при деформировании которого протекает рекристаллизация, зависит от степени, температуры и скорости деформации. Связь между размером (средним значением площади поперечного сечения f ) зерен после деформирования, температурой и степенью деформации обычно представляют объемными диаграммами рекристаллизации (рис. 6.5., а).
Из приведенной диаграммы следует, что с увеличением температуры величина зерен растет. Зависимость величины зерен от степени деформации имеет сложный характер. Для низкоуглеродистой стали при степени деформации до 8...10 % и температуре обработки до 900 °С величина зерен не увеличивается; пластическая деформация происходит за счет внутризёренных перемещений без разрушения межкристаллитной пленки. При достижении степени деформации 8...10% пластическая деформация происходит также и за счет межзеренных перемещений, благодаря чему пленка, обволакивающая зерна, разрушается, и они имеют возможность соприкасаться друг с другом. Это облегчает объединение нескольких деформируемых зерен в одно зерно. В результате происходит скачкообразное увеличение размеров рекристаллизованных зерен. Такая рекристаллизация называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.
Степень деформации, при которой происходит скачкообразный рост рекристаллизованных зерен, называют критической степенью деформации. Для различных металлов и сплавов критическая степень деформации различна, но обычно не превышает 15 %.
Рекристаллизация происходит также при нагреве холодно-деформированного металла до температуры, превышающей температуру начала рекристаллизации; этот процесс обычно называют рекристаллизационным отжигом, или отжигом; его применяют для снятия упрочнения, полученного при холодной деформации. Зависимость величины зерен от предшествовавшей степени деформации и температуры нагрева аналогична рассмотренной выше. В этом случае величина зерен зависит также от времени выдержки при температуре нагрева. При длительной выдержке протекает процесс собирательной рекристаллизации.
При весьма высоких степенях холодной деформации (94... 96%) наблюдается появление второго максимума на кривых рекристаллизации (рис. 5.6,6). При этом протекает процесс собирательной рекристаллизации. При указанных степенях деформации появляется совершенная текстура одинаково ориентированных кристаллов, что облегчает при высокотемпературном отжиге их слияние друг с другом и образование весьма крупных зерен. Если какие-то из новых зерен, полученных в результате собирательной рекристаллизации, имеют предпочтительные условия для роста, то эту стадию рекристаллизации называют вторичной. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, приводящая к разнозернистости структуры, способствует снижению механических свойств металла.
На рис. 6.3 показано, что при возврате механические свойства металла изменяются незначительно, а при рекристаллизации—значительно (вследствие замены старых деформированных зерен новыми равноосными зернами с неискаженной решеткой). Выбирая температуру нагрева холоднодеформированного металла, можно получить требуемые значения σв и δ. Отжиг при высоких температурах, достигающих температуры перегрева tп, или длительная выдержка при высокой температуре отжига, сопровождающаяся протеканием процесса собирательной рекристалл изации, дает крупнозернистую структуру, которая обусловливает уменьшение пластичности и прочности металла (см. рис. 6.3) и является нежелательной.
3) Азотирование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию и нитроцементацию (незначительно).
Каталитическое газовое азотирование
Это последняя модификация технологии газового азотирования. Средой для насыщения является аммиак, диссоциированный при температуре 400—600 градусов Цельсия накатализаторе в рабочем пространстве печи. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при каталитическом газовом азотировании сталей применяют изменение
1. перенаправление потенциала насыщения. В целом применяются более низкие температуры, чем при газовом азотировании.