Краткие сведения из теории

В процессе механического испытания образец может подвергать­ся упругой и пластической деформации е последующим разрушением.

Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру , и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил.

Пластическая деформация является результатом необратимых смещений атомов. В кристаллах эти смещения атомов происходят пу­тем движения дислокаций (линейного дефекта кристаллической решетки), что является атомным механизмом пластической деформации. Движение
дислокаций может вызывать пластическую деформацию образца путем скольжения либо двойникования. Формоизменение металла при обработ­ке давлением происходит вследствие деформации каждого кристаллита. В поликристаллическом металле зерна ориентированы не одинаково и поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме металла. До деформации исходное зерно отожженного металла как правило имеет округлую равноосную форму (рис.10.1 а).

а) б)

Рисунок 10.1 – Изменение формы зерна в результате пластической де­формации: а) до деформации, б) после деформации

Основное изменение формы кристаллитов (зерен) при пластичес­кой деформации состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной деформации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения), образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 10.1 6).

С увеличением степени холодной деформации ε показатели сопротивления деформированию (предел прочности σ_в, предел теку­чести σ_т, твердость НВ) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение δ и сужение ψ) снижаются (рис. 10.2.). Это явление роста упрочнения при деформации подучило название наклеп. При деформировании металла более 50-70 % его прочностные свойства могут увеличиваться в полтора-два, а иногда и в три раза в зависимости от природы металла и вида об­работки металла давлением.

Рисунок 10.2 – Зависимость механических свойств металла от степени холодной пластической деформации

Наиболее важное изменение внутреннего строения кристаллитов при деформации металла – увеличение плотности дислокаций (отношение суммарной длины дислокаций к объему металла). Если плотность дислокаций у хорошо отожженного металла, равна 10⁶ -10⁸ см^-2, то при больших степенях деформации она достигает до 10¹¹ -10¹² см^-2. Следовательно, рост показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности с увеличением степени холодной деформации происходят в ре­зультате повышения плотности дислокаций.

Холодная обработка давлением приводит металл в состояние с повышенной свободной энергией. В связи с этим, состоя­ние деформированного металла термодинамически неустойчиво. При наг­реве наклепанного металла в нем протекают процессы возврата в ре­кристаллизации, изменяющие его свойства обратно тому, как они из­менялись при холодной деформации, а именно, показатели сопротивле­ния деформированию (пределы прочности и текучести, твердость) умень­шаются, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) возрастают.

Процесса возврата (отдых и полигонизация) протекают при наг­реве до сравнительно низких температур (ниже 0,2-0,3 Т_пл). На пер­вой стадии возврата - отдыхе, происходит уменьшение концентрации точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования новых субграниц. На второй стадии возврата - полигонизации, происходит дробление (фрагментация) деформированных крис­таллов на субзерна (полигоны). При прохождении процессов возврата еще не наблюдается заметных изменений структуры металла, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием (рис.10.3 а) и в связи с этим комплекс механических свойств (НВ, σ_в, δ) остается почти без изменения (рис.10.3).

Начиная с определенной температуры (t^н_рек) при нагреве холоднодеформированного металла в его структуре наблюдается образо­вание новых равноосных зерен наряду с деформированными (рис. 10.3 б). Процесс образования и роста новых округлых равноосных зерен вместо волокнистой структуры называют первичной рекристаллизацией. Сле­дует отметить, что новые равноосные зерна отличаются от старых вытянутых зерен деформированной матрицы не только формой и разме­рами, но и, что гораздо важнее, более совершенным внутренним стро­ением, резко пониженной плотностью дислокаций. Падение прочност­ных свойств предварительно деформированного металла и повышение его пластичности, т.е. снятие наклепа во время рекристаллизации объясняется сниже­нием плотности дислокаций.

Рисунок 10.3 – Влияние температуры нагрева на механические свойства и структуру холоднодеформированного металла

Установлено, что температура начала рекристаллизации метал­лов (t^н_рек), подвергнутых значительной деформации, составляет 0,4 Т_пл, для металлов технической частоты, а для сплавов – (0,6-0,7) Т_пл. Для полного снятия наклепа металл необходимо нагревать до более высоких температур. Такая термическая обработка получила название рекристаллизационного отжига (рис. 10.3 в). При дальнейшем повышении температуры наблюдается рост одних рекристаллизованных зёрен за счет других (рис. 10.3 г). Такой процесс называется собирательной рекристаллизацией.

В зависимости от соотношения температуры проведения деформации и температуры рекристаллизации металла различают холодную и горячую деформации.

Холодной называют такую деформацию, которую проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации. Следовательно, холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) метал­ла.

Горячей называют такую деформацию, которую проводят при темпе­ратуре выше температуры рекристаллизации. В этом случае полностью проходят процессы рекристаллизации и не наблюдается упрочнения (наклепа) металла.