3.6. Упрочнение и разупрочнение материалов, наклеп и рекристаллизация

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал при деформации в этих условиях упрочняется.

Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.

Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций . По мере увеличения плотности дислокаций  сопротивление пластическому деформированию уменьшается (рис.3.6).

Рис. 3.6. Зависимость сопротивления деформированию

от плотности дислокаций

Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций _кр. При достижении этой плотности дислокаций начинается взаимодействие силовых полей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.

Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформированию можно получить двумя путями: наклепом металла, т.е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислокаций до очень малого значения. Поскольку второй путь (доведение плотности дислокаций до очень малых значений) пока еще практически не разработан, практическое значение имеет только первый путь.

Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обработка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.

Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плотности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к увеличению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.

Рис. 3.7. Текстура, возникающая при пластической деформации: а)- исходная структура, б) текстура при растяжении, в) текстура при сжатии, г) текстура при сдвиге

При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в направлении деформации, образуется так называемая текстура (textura – ткань, связь, строение) – анизотропная поликристаллическая или аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориентировкой. Текстуры могут быть осевыми – с предпочтительной ориентировкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими – с ориентировкой относительно особой плоскости и полными – при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 3.7). Текстура создает анизотропию свойств.

Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т.е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения металла в равновесное состояние его необходимо нагреть.

Процесс частичного восстановления структурного совершенства и свойств деформированных металлов и сплавов при их нагреве ниже определенной температуры (температуры рекристаллизации) называют возвратом. При нагреве до более высоких температур подвижность атомов возрастает, снимаются внутренние напряжения.

Температура рекристаллизации характеризуется гомологической температурой, т.е. отношением абсолютной температуры к абсолютной температуре плавления.

Для чистых металлов температура рекристаллизации примерно равна:

=0,4. (3.24)

При температурах, больших, чем температура рекристаллизации, происходит образование и рост одних кристаллических зерен за счет соседних зерен той же фазы. Рекристаллизация – процесс повышения структурного совершенства и уменьшения свободной энергии деформированного металла за счет возникновения и роста новых зерен в пределах одной фазы.

Образование и рост зерен с более совершенной структурой за счет исходных деформированных зерен с менее совершенной структурой называется первичной рекристаллизацией. Зерна, получающиеся в результате этого процесса, называются рекристаллизованными.

Рост одних рекристаллизованных зерен за счет таких же соседних зерен называется собирательной рекристаллизацией. В результате рекристаллизации обычно снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность (рис. 3.8).

В отличие от температуры, повышение которой приводит структуру металла к равновесному состоянию, повышение скорости деформации уменьшает время, необходимое для рекристаллизации и разупрочнения, и напротив приводит к повышению предела текучести, т.е. к упрочнению. При повышенных температурах влияние скорости деформации усиливается.

Рис. 3.8. Изменение прочности, пластичности и зернистого строения в процессе нагрева деформированного металла

При относительно небольших изменениях скорости деформации ее влияние на предел текучести, как правило, несущественно. Однако различные технологические способы механической обработки материалов могут весьма существенно отличаться уровнями скорости деформации. Так, например, при горячей прокатке скорости деформации могут изменяться в 10 000 раз: от 0,1 с^-1 для блюмингов и слябингов до 1000 с^-1 для проволочных станов горячей прокатки. В этих случаях влияние скорости деформации и температуры необходимо учитывать.