3.3. Влияние температуры на структуру деформированного металла

Д о пластической деформации металл находился в равновесном состоянии 1 (рис. 3.11) с минимальным запасом свободной энергии. Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию, превращается в теплоту – металл нагревается. Система переходит в неравновесное состояние 2. Часть энергии, затрачиваемой при деформации на образование дефектов, накапливается в металле. Плотность дислокаций увеличивается от 10⁶–10⁸ до 10¹² см^-2. Система переходит в метастабильное состояние 3, устойчивое при комнатной температуре. При преодолении барьера Е для диффузии точечных дефектов и движения дислокаций, система возвращается в равновесное состояние.

В озврат. При низких температурах нагрева протекает первая стадия возврата – отдых. Форма зерен не изменяется. Происходит уменьшение концентрации собственных точечных дефектов (сток к границам, взаимоуничтожение) и дислокаций. Краевые дислокации одинакового знака отталкиваются, противоположного – притягиваются и уничтожаются (рис. 3.12). Из двух «лишних» полуплоскостей образуется одна плоскость. Уничтожение краевых дислокаций противоположного знака, расположенных в параллельных плоскостях скольжения, сопровождается образованием междоузельных атомов или вакансий. Винтовые дислокации противоположного знака, движущиеся в одной плоскости скольжения, взаимно уничтожаются. Остаются в металле хаотично расположенные дислокации одного знака. Отдых металла уменьшает на 10–15 % твердость и прочность.

При более высоких температурах нагрева протекает вторая стадия возврата – полигонизация. В результате скольжения и переползания дислокаций зерно делится на субзерна – полигоны (см. рис. 3.13), свободные от дислокаций. Дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки. Полигонизация редко развивается в меди и ее сплавах, но выражена в сплавах алюминия и железа. При деформировании сплавов сложного состава полигонизация приводит к возникновению стабильной ячеистой структуры. Дислокации скапливаются на границах ячеек. Ячеистая структура сохраняется при значительном нагреве, сплавы не рекристаллизуются. При нагреве деформированных металлов процессы отдыха происходят всегда.

Р екристаллизация. Первичная рекристаллизация – образование зародышей новых зерен и их последующий рост. Зародыши возникают на участках с повышенной плотностью дислокаций, где сосредоточены наибольшие искажения решетки – у границ деформированных зерен, блоков (рис. 3.14). Чем больше степень пластической деформации, тем больше зародышей. Зародыши растут путем диффузии атомов от деформированных участков. Для начала первичной рекристаллизации необходимы два условия.

1 . Критическая степень деформации (для алюминия – 2 %, для железа и меди – 5 %). При меньшей степени деформации зарождения новых зерен не происходит. 2. Температурный порог рекристаллизации – наименьшая температура, обеспечивающая возможность зарождения зерен: Т_рек =   Т_пл.

Коэффициент  зависит от чистоты металла и степени деформации. Чем больше степень холодной деформации металла, тем ниже температура рекристаллизации. Для металлов технической чистоты  = 0,3–0,4, для твердых растворов  = 0,5–0,6. Для алюминия, меди и железа технической чистоты Т_рек равна: 100, 270 и 450 °С.

Первичная рекристаллизация снимает наклеп. Далее происходит рост зерен – собирательная рекристаллизация. Зерна укрупняются за счет слияния и объединения границ. Свободная энергия уменьшается вследствие уменьшения поверхностной энергии. Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост отдельных зерен по сравнению с другими: формируются зерна-гиганты и зерна-карлики.