2. Структурні зміни під час холодної пластичної дефофрмації. Текстура деформації. Наклепання. Руйнування металів.*

Після зняття навантаження, що перевищує межу плинності, в зразку залишиться залишкова деформація. При повторному вантаженні зростає межа плинності металу і зменшується його здатність до пластичної деформації, тобто відбувається зміцнення металу. Зміцнення металу під дією пластичної деформації називається наклепанням.

При деформації зерна міняють свою форму і орієнтування, утворюючи волокнисту структуру з переважною орієнтацією кристалів. Відбувається розворот безладно орієнтованих зерен осями найбільшої міцності уздовж напряму деформації. Зерна деформуються і сплющуються, витягуючись у напрямі діючих сил Р, утворюючи волокнисту або шарувату структуру (рис. 6.3). Нікчемно малий розмір пачок ковзання створює ілюзію рівної межі деформованого зерна (на рис. 6.3, б показана штриховою лінією). Переважне кристалографічне орієнтування зерен уподовж направлення деформації називається текстурою металу. Чим більше міра деформації, тим більша частина зерен отримує переважне орієнтування. Утворення текстури сприяє появі анізотропії властивостей вздовж і поперек напрямку волокон.

Рисунок 6.3 – Зміна форми зерен в результаті деформації:

а, б – схема форми зерен до і після деформації; в – мікроструктура низьковуглецевої сталі 15 після деформації, х 150

Із зростанням міри деформації механічні властивості (σ_в, σ_0,2, НВ), що характеризують опір деформації, підвищуються, відбувається деформаційне зміцнення, а здатність до пластичної деформації (δ, ψ) падає (рис. 6.4). Межа плинності росте інтенсивніше, ніж тимчасовий опір, і по мірі збільшення міри пластичної деформації значення обох характеристик зближуються.

Рисунок 6.4 – Вплив міри пластичної деформації на механічні властивості низьковуглецевої сталі

В результаті наклепання механічні властивості міняються дуже істотно: наприклад, при мірі деформації ε = 70 % середньовуглецевої сталі її тимчасовий опір σ_в збільшується приблизно в два рази, а відносне подовження δ зменшується з 30 до 2 %. Сталевий дріт, отриманий холодним волочінням при мірі деформації 80 – 90 %, набуває значення σ_в = 4000 МПа, що не може бути досягнуто легуванням і термічною обробкою.

Зміцнення при наклепанні пояснюється істотним підвищенням щільності дислокацій, характерним для процесу пластичної деформації. Одночасно в процесі пластичної деформації збільшується кількість точкової недосконалості – вакансій і дислокованих атомів. Із зростанням щільності дислокацій і недосконалості кристалічної будови ускладнюється вільне переміщення дислокацій. Додаткові бар'єри для дислокацій створюються за рахунок деформації зерен і дроблення блоків. Усі ці чинники сприяють зміцненню металу при наклепанні.

Одночасно в результаті пластичної деформації суттєво змінюються фізико-механічні властивості металів. Наклепаний метал має меншу щільність, вищий електроопір, меншу теплопровідність; у нього падає стійкість проти корозії. Метали з ГЦК ґратками при наклепанні зміцнюються сильніше, ніж метали з ОЦК ґратками.

Надпластичність металів. Надпластичністю називають здатність металів і сплавів в певних умовах до значної рівномірної пластичної деформації (δ > 100 %) без деформаційного зміцнення (наклепання).

Розрізняють декілька видів надпластичності :

• Дрібнозерниста структурна надпластичність проявляється в металах і сплавах з дуже дрібним зерном (від 0,5 до 5 мкм) при малих швидкостях деформації (10^-3 – 10^-4 с^-1) і температурах більше 0,4Т_пл, де Т_пл – температура плавлення, К. Зрушуюча деформація при цьому не відбувається, метал майже не наклепується, зерна практично не міняють свою форму, а як би перекочуються, міняючись своїми сусідами. По образному порівнянню А. П. Гуляєва, цей процес подібний до пересипання картоплі з одного мішка в іншій.

• Субкритична надпластичність спостерігається при температурах дещо нижче за температури фазових поліморфних перетворень або поблизу температури плавлення. Цей вид надпластичності обумовлений тим, що безпосередньо перед фазовим перетворенням або плавленням відбувається різка зміна властивостей без зміни структури; наприклад, модуль нормальної пружності знижується в 2-3 рази.

Завершальна стадія деформації матеріалів – стадія руйнування – стала об'єктом дослідження порівняно недав-но, оскільки раніше вважали, що після появи тріщин в матеріалі виріб не можна використовувати. Руйнування розглядалося як завершальна миттєва стадія вантаження, яка не може бути зупинена. Нині виявлено, що стадія руйнування з моменту появи ушкодження може складати до 90 % довговічності конструкції.

Руйнування твердого тіла є процесом розділення його на частини під дією навантаження, який також може супроводжуватися термічними, радіаційними, корозійними і іншими діями. На атомному рівні руйнування являє собою розрив міжатомних зв'язків з утворенням нових поверхонь. Якщо розрив міжатомних зв'язків відбувається перпендикулярно площині руйнування, то відбувається руйнування сколом або відривом. Якщо розрив зв'язків йде під дією сили, прикладеної паралельно площини руйнування, то відбувається руйнування зрушенням або ковзанням. У металах може мати місце і той, і інший вид руйнування, що визначається головним чином їх кристалічною структурою. Крім того, характер руйнування залежить від температури, швидкості деформації, напруженого стану, чистоти металу і т. д.

Залежно від міри пластичної деформації перед руйнуванням розрізняють два основні види руйнувань: крихке і в'язке. При в'язкому руйнуванні метал зазнає перед руйнуванням не лише пружну, але і значну пластичну деформацію. За відсутності пластичної деформації або при її незначному розвитку відбувається крихке руйнування.

Крихке руйнування відбувається шляхом відриву або скола, коли площина руйнування перпендикулярна нормальним напруженням. Під дією нормальної напруги відбувається пружна деформація кристалічної решітки, а після досягнення граничної міри її спотворення відбувається послідовний розрив міжатомних зв'язків з відривом однієї атомної площини від іншої, тобто руйнування металу. Руйнування починається від якого-небудь дефекту, поблизу якого розвивається концентрація напруги, що перевершує теоретичну міцність металу. Концентрація напруги К пропорційна гостроті дефекту і його довжині:

,

де l – довжина дефекту; r - радіус закруглення в його вершині.

В'язке руйнування відбувається шляхом зрушення під дією дотичної напруги. Площина ковзання розташована під кутом 45° до напряму головної нормальної напруги.

Чисте сдвиговое в'язке руйнування характерно для таких аморфних матеріалів, як глина; чисте крихке руйнування властиве ідеально пружним матеріалам, наприклад алмазу. Проте більшості реальних матеріалів одночасно властиво і в'язке, і крихке руйнування, а розподіл на окремі види руйнування умовно проводиться по переважанню того або іншого типу.

Характерними ознаками в'язкого і крихкого руйнування є енергоємність, тобто величина роботи руйнування, вид тріщини і поверхні зламу і швидкість поширення тріщини.

Рисунок 6.5 – Вид тріщини і схеми руйнування (переріз перпендикулярний поверхні зламу): а - крихке; б - в'язке

Мікрозлам при крихкому руйнуванні має блискучу гладку поверхню. Плоскі грані розколотих кристалічних зерен надають металевий блиск крихкому зламу. Електронно-мікроскопічне дослідження виявляє "річкові візерунки", або "струмкову" будову зламу, що є наслідком взаємодії рухомої тріщини з дефектами кристала, а також наявність переважних кристалографічних орієнтувань фасеток скола. Злам при в'язкому руйнуванні має матовий волокнистый характер без металевого блиску. Електронно-мікроскопічне дослідження виявляє характерну "чашкову" будову зламу.

Рисунок 6.6 – Характерні види зламів: а – крихкий струмковий злам; б – в'язкий чашковий злам

За допомогою розглянутих ознак можна визначити характер руйнування деталі або конструкції (в'язкий або крихкий механізм). У разі в'язкого руйнування необхідно підвищувати міцність матеріалу. При крихкому руйнуванні потрібно, навпаки, збільшувати в'язкість і пластичність, при необхідності навіть знижуючи міцність. Найбільш небезпечне крихке руйнування.

Характер руйнування залежить від впливу різних. Розрізняють зовнішні і внутрішні чинники. До зовнішніх факторів відносяться температура, тип надрізу або концентратора напружень, умови і швидкість навантаження, характер оточуючого середовища, форма і розміри деталі. До внутрішніх чинників, властивих матеріалу, відносяться тип кристалічної решітки, хімічний склад, структура і розмір зерна, залежні від технології попередньої обробки.

Здатність матеріалу крихко руйнуватися з пониженням температури називається холодноламкістю. Холодноламкість проявляється за певних умов і є не властивістю, а станом матеріалу.

Чутливість до надрізу і тріщини, що є граничним вираженням надрізу, належить до найважливіших характеристик працездатності металу. З підвищенням міцності металу росте чутливість до надрізу.

Із збільшенням швидкості навантаження також зростає небезпека крихкого руйнування. Чим нижче температура металу, тим більше сильний вплив робить швидкість деформації.

Довкілля може впливати на зміну поверхневої енергії руйнування матеріалу і чинити корозійну дію. Крім того, в середовищі, що містить водень, відбувається водневе окрихчування металів. Розтріскування при корозії під напругою і насиченість воднем збільшують крихкість металу і зміщують критичну температуру крихкості в область вищих значень.

Розмір зерна металу має важливе значення для межі плинності, опору крихкому руйнуванню і для температури в'язко-крихкого переходу. Подрібнення зерна істотно знижує критичну температуру крихкості.

Зміною технології виплавки і розливання, пластичної деформації і термічної обробки можна впливати на розмір зерна і тим самим управляти властивостями металу і його холодностійкістю.

3. Структурні зміни під час нагрівання холоднодеформованого металу. Повернення (відпочинок) і полігонізація. Первинна рекристалізація, правило Бочвара. Вторинна (збірна) рекристалізація. Діаграми рекристалізації.*

Зростання числа дефектів кристалічної будови і виникнення внутрішньої напруги в результаті наклепання призводить до того, що вільна енергія металу росте, і він приходить у нестійкий стан. Тривала витримка при кімнатній температурі, а тим більше нагрів, повинні сприяти переходженню металу в стійкіший структурний стан.

Передусім вже при невеликому нагріві (до 400 °С для заліза) відбувається зняття спотворень кристалічної решітки, зменшення щільності дислокацій за рахунок їх анігіляції, зменшення кількості вакансій, зниження внутрішніх напружень. Проте видимих змін структури не відбувається і витягнута форма зерен зберігається. Цей процес називають поверненням металу. При поверненні міцність зменшується на 20 – 30 % в порівнянні з початковим станом, а пластичність дещо збільшується.

Повернення завершується полігонізацією, механізм якої в наступному. В результаті наклепання дислокації виявилися безладно розподіленими в площинах ковзання усередині зерен. При нагріві до температури, достатньої для процесу самодифузії, дислокації протилежних знаків анігулюють (знищуються), а дислокації одного знаку перегруповуються в дислокаційні стінки з утворенням комірчастої структури (рис. 6.7).

Рисунок 6.7 – Полігонізація

У зернах полікристала утворюються субмежі, що розділяють субзерна (полігони), вільні від дислокацій.

Укрупнення субзерен із збільшенням тривалості витримки або підвищенні температури нагріву металу (рис. 6.8) призводит до подальшого зниження міцності. При наступному нагріві відбувається зміна мікроструктури наклепаного металу (рис. 6.9). Із зростанням температури рухливість атомів росте, і утворюються нові зерна замість орієнтованої волокнистої структури. Утворення нових рівноосних зерен называється рекристалізацією.

Процес рекристалізації протікає в дві стадії. Розрізняють первинну, або рекристалізацію обробки, і збиральну рекристалізацію. Рекристалізацією обробки, або первинною рекристалізацією, називають процес утворення нових рівноосних зерен. Нові зерна виникають на межах блоків і старих зерен, тобто там, де ґратки найбільш спотворені при наклепуванні. Процес первинної рекристалізації термодинамічно вигідний, оскільки переходження деформованого металу в стійкіший рівноважний стан супроводжується зменшенням вільної енергії. В результаті первиної рекристалізації наклепання металу знімається, і властивості наближуються до початкових значень. Щільність дислокацій також зменшується до первинного рівня.

Рисунок 6.8 – Схема коалісценції субзерен: а – зникнення меж; б – злиття субзерен і зміна іх орієнтації

Рисунок 6.9 – Схема зміни структури і властивостей деформованого металу при нагріванні:

1-2 - повернення; 2-3 - первинна кристалізація; 3-4 - збиральна рекристалізація

Температуру початку рекристалізації називають температурним порогом рекристалізації. Вона залежить від температури плавлення (правило академіка А. А. Бочвара): де α – коефіцієнт залежний від складу і структури металу. Для технічно чистих металів α = 0,3…0,4, для сплавів α = 0,5…0,6. Причина такої залежності обумовлена тим, що обидва процеси (плавлення і рекристалізація) пов'язані зі зміною взаємного розташування атомів і для їх розвитку потрібна певна дифузійна рухливість атомів. Співвідношення рівнів дифузійної рухливості при плавленні і рекристалізації приблизно постійне, внаслідок чого приблизне постійне співвідношення температур обох процесів. У сплавах домішки взаємодіють з дислокаціями і обмежують їх рухливість, що ускладнює утворення зародків нових зерен і гальмує рекристалізацію. Тому температура рекристалізації у сплавів вища, ніж у чистих металів.

Наступне зростання температури призводить до другої стадії процесу – збиральної рекристалізації, що полягає в зростанні нових зерен, що знову утворилися. Велика кількість дрібних зерен має великий запас поверхневої енергії. При збільшенні зерен загальна поверхня їх меж зменшується, що викликає переходженню металу в більше рівноважний стан. Рухомою силою збиральної рекристалізації є зниження поверхневої енергії.

Величина зерна при збиральній рекристалізації залежить від температури нагріву, міри попередньої пластичної деформації і, у меншій мірі, від тривалості витримки при нагріві (рис. 6.10).

Рисунок 6.10 – Вплив ступеня деформації (а), температури (б) і тривалості нагріву (в) на величину рекристалізованого зерна: ε – критичний ступінь деформації

Найбільш великі зерна утворюються при невеликій попередній деформації(до 15 %), яку називають критичною. При малих мірах деформації має місцето неоднорідність наклепання, а отже, неоднорідність дефектов ґраток і напруги. За цих умов межі зерен набувають можливість швидкого переміщення на відносно великі відстані, що сприяє укрупненню зерен.

Наочне уявлення про вплив температури і міри деформації на розмір зерна дають діаграми рекристалізації (рис. 6.11). За допомогою цих діаграм можна в першому наближенні вибрати міру деформації і температуру рекристалізаційного відпалу, при яких виключається вірогідність сильного росту зерен металу. Для уточнення температури відпалу необхідно враховувати вміст домішок в металі, величину зерна до деформації, швидкість нагріву, тривалість витримки і інші чинники.

Якщо необхідно зняти наклепання, то для досягнення достатньої швидкості процесу відпалу наклепаного металу ведуть при більш високій температурі, чим температура рекристалізації.

Рисунок 6.11 – Діаграма рекристалізації заліза