Рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиг

Рекристаллизационный отжиг — это термическая обработка деформированного ме­талла или сплава, при которой главным процессом является рекристаллизация.

Дорекристаллизационный отжиг — это термическая обработка деформированного металла или сплава, при которой главным процессом является возврат.

Обе разновидности термической обработки чаще применяют после холодной об­работки давлением.

Изменение структуры при дорекристаллизационном отжиге

Холодная обработка давлением приводит металл в неравновесное состояние с по­вышенной энергией Гиббса. Наклепанный металл стремится самопроизвольно перей­ти в более равновесное состояние с меньшей энергией Гиббса. Восстановительные процессы сводятся в основном к уменьшению общего количества дефектов кристал­лической решетки и перераспределению их в кристаллитах с образованием более рав­новесных конфигураций. Эти процессы совершаются путем перемещения атомов, и решающее влияние на них оказывает температура.

У большинства промышленных металлов и сплавов, исключая легкоплавкие, при комнатной температуре подвижность атомов недостаточна, чтобы обеспечить актив­ное развитие восстановительных процессов, уменьшающих энергию Гиббса накле­панного материала. Чтобы частично или полностью устранить наклеп за практически приемлемое время, приходится проводить нагрев — отжиг после холодной обработки давлением.

В зависимости от температуры и продолжительности отжига в холоднодеформированном металле протекают различные структурные изменения, которые подразделя­ются на процессы возврата и рекристаллизации.

После нагрева наклепанного металла при сравнительно низких гомологических температурах (для металлов обычной чистоты ниже ~0,3 Т_пл) в световом микроскопе не наблюдаются изменения формы и размеров деформированных зерен, не обнару­живаются новые, рекристаллизованные зерна. Однако такой дорекристаллизационный отжиг вызывает заметное изменение некоторых свойств металла, а с помощью рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и других прямых и косвен­ных методов фиксируются изменения во внутреннем строении деформированных зе­рен.

Совокупность любых самопроизвольных процессов изменения плотности и распределе­ния дефектов в деформированных кристаллах до начала рекристаллизации называют возвратом. Этот собирательный термин, относящийся к весьма разным по своему ме­ханизму явлениям, используют в связи с тем, что некоторые свойства наклепанного металла при дорекристаллизационном отжиге частично или полностью возвращают­ся к значениям свойств перед холодной деформацией.

Если возврат протекает без образования и миграции субграниц внутри деформиро­ванных зерен, то его называют возвратом первого рода или отдыхом. Если же при воз­врате внутри деформированных кристаллитов формируются и мигрируют малоугло­вые границы, то его называют возвратом второго рода или полигонизацией.

Выбор режимов дорекристаллизационного и рекристаллизационного отжига

Основные параметры отжига наклепанных металлов и сплавов - температура и продолжительность. Они определяют характер и полноту структурных изменений при отжиге, а также свойства металла и сплава после отжига.

Дорекристаллизационный отжиг. Дорекристаллизационный отжиг бывает смягча­ющим и упрочняющим.

Дорекристаллизационный смягчающий отжиг используют для повышения пластич­ности при частичном сохранении деформационного упрочнения. Его применяют, когда необязательно или нежелательно полное смягчение, достигаемое рекристаллизацционным отжигом. Смягчающий дорекристаллизационный отжиг чаще всего слу­жит окончательной операцией, придающей изделию требуемое сочетание прочности и пластичности.

Так, алюминиевые листы марок АД, АД1, АМг2 и некоторых других в большом ко­личестве выпускают после дорекристаллизационного смягчающего отжига при 150-300°С.

Для тугоплавких металлов VIA группы (Мо и W) дорекристаллизационный отжиг - единственный способ смягчения после обработки давлением, так как при рекристал­лизации они сильно охрупчиваются.

Дорекристаллизационный отжиг часто наряду с повышением пластичности пре­следует цель уменьшить остаточные напряжения, стабилизировать свойства и повы­сить стойкость против коррозии.

Дорекристаллизационный упрочняющий отжиг применяют для повышения упругих свойств пружин и мембран. Оптимальную температуру его подбирают опытным путем.

Рекристаллизационный отжиг. По условиям проведения и по назначению можно выделиь несколько разновидностей рекристаллизационного отжига.

Полный рекристаллизационный отжиг, обычно называемый просто рекристаллизационным, — одна из наиболее широко применяемых операций термообработки.

Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначаль­ную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наи­большей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термичес­кую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств). Ре­кристаллизационный отжиг сталей, цветных металлов и сплавов применяют после холодной прокатки листов, лент и фольги, холодного волочения труб, прутков и про­волоки, холодной штамповки и других видов холодной обработки давлением.

В производстве полуфабрикатов и изделий из цветных металлов и сплавов рекри­сталлизационный отжиг как самостоятельная операция термообработки распростра­нен гораздо шире, чем в технологии производства стали. Объясняется это тем, что по сравнению со сталями холодной обработке давлением подвергают несравненно боль­шею долю цветных металлов и сплавов.

О качестве отожженного материала не всегда можно судить только по механичес­ким свойствам. Другим показателем в отдельных случаях служит размер рекристаллизованного зерна. Так, например, крупнозернистость является причиной появления апельсиновой корки — характерной шероховатости изделий после глубокой вытяжки, растяжки и т. п.

В крупнозернистом материале неоднородность пластической деформации разных зерен выражена особенно сильно. Неоднородность деформации крупных зерен на свободной поверхности изделия проявляется в виде апельсиновой корки. При мелком зерне такой шероховатости не видно.

Скорость нагрева до температуры рекристаллизационного отжига и скорость охлажде­ния после отжига чаще всего не имеют значения. В отдельных случаях, однако, эти ско­рости нельзя игнорировать. Например, если сплав способен упрочняться при закалке и старении, то скорость охлаждения с температуры рекристаллизационного отжига иногда приходится регламентировать, чтобы не происходила подкалка (частичная закалка).

1.3. Отжиг для снятия напряжений

При обработке давлением, литье, сварке, термообработке, шлифовании, обработ­ке резанием и других технологических процессах в изделии могут возникать упругие внутренние напряжения, которые взаимно уравновешиваются внутри тела без учас­тия внешних нагрузок. В большинстве случаев внутренние напряжения полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса и поэтому называются остаточными напряжениями.

В данном разделе рассматриваются только напряжения, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей. Такие напряжения называют также зональными или напряжениями Ipoda, чтобы отличить их от напряжений II рода (мик­ронапряжений), уравновешивающихся в объеме отдельных кристаллитов или их час­тей.

Отжиг, уменьшающий напряжения, — это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация зональных остаточных напряжений.

Возникновение и роль остаточных напряжений

Причинами возникновения внутренних макронапряжений (напряжений I рода) являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела.

Следующий пример поясняет возникновение остаточных напряжений при неоди­наковой пластической деформации на разных участках металла. Предста­вим себе, что полоса металла прокатывается в бочкообразных валках, диаметр кото­рых посередине значительно больше, чем на концах. Центральные слои полосы полу­чают большее обжатие, чем крайние. Если бы заготовка была составлена (например, склеена) из набора прутков, то каждый из этих прутков получил бы вытяжку в соот­ветствии со своим обжатием: центральные прутки должны были бы вытянуться силь­нее, чем крайние. Но полоса металла в действительности является монолитным те­лом, в котором центральные и крайние слои не могут изолированно друг от друга вытягиваться на разную длину. Поэтому центральные слои, которые стремятся сильнее вытянуться, будут испытывать сдерживающее влияние крайних слоёв и окажутся недовытянутыми. Иначе говоря, в центральных слоях возникнут сжимающие внутренние напряжения. Крайние слои, наоборот, будут под действием центральных слоёв вытянуты на величину больше той, которая определяется их обжатием. Поэтому в крайних слоях возникнут растягивающие внутренние напряжения.

Удельный объем меняется при термическом сжатии и расширении, кристаллиза­ции расплава, фазовых превращениях в твердом состоянии и изменении химическо­го состава поверхностных слоев. Если бы термическое расширение или сжатие, крис­таллизация расплава и фазовые превращения в твердом состоянии проходили одно­временно и в одинаковой степени по всему объему тела, то внутренние напряжения не возникали бы. Но при нагреве и охлаждении всегда имеется градиент температур по сечению тела, и поэтому указанные выше изменения удельного объема в разных точках металла протекают неодинаково, в результате чего возникают внутренние на­пряжения.

Различают термические и фазовые (структурные) внутренние напряжения, которые возникают соответственно в результате термического сжатия или расширения и фазо­вых превращений в твердом состоянии. Внутренние напряжения могут возникнуть практически при любой обработке, причем одна технологическая операция может привести к созданию разных по своему происхождению остаточных напряжений: тер­мических, фазовых и напряжений от неоднородной пластической деформации. На­пример, при горячей обработке давлением кроме напряжений, образовавшихся из-за неоднородной пластической деформации, могут возникнуть термические, а также фазовые напряжения, если горячедеформированный сплав охлаждается ускоренно и в нем протекает фазовое превращение. При литье, сварке и закалке возникают терми­ческие и фазовые напряжения. Различные по своему происхождению остаточные на­пряжения алгебраически складываются и очень часто дают весьма сложные эпюры.

В соответствии с названием технологического процесса различают литейные, сва­рочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения сказываются на поведении изделия при обработке, экс­плуатации и даже при хранении на складе. Остаточные напряжения, алгебраически складываясь с рабочими напряжениями, могут их усиливать или ослаблять. Как пра­вило, наиболее опасны растягивающие остаточные напряжения, так как они, склады­ваясь с растягивающими напряжениями от внешних нагрузок, приводят к разруше­нию, хотя эти нагрузки могут быть и невелики.

Особенно опасны растягивающие напряжения при трехосном растяжении. Как известно, напряженное состояние при трехосном растяжении наиболее «жесткое», так как касательные напряжения, вызывающие пластическое течение, чрезвычайно малы или равны нулю, вследствие чего создаются благоприятные условия для хрупко­го разрушения. Остаточные напряжения особенно опасны также в изделиях из мало­пластичных сплавов и таких, которые становятся хрупкими при понижении темпера­туры.

В металле с остаточными напряжениями существуют области упругих деформаций разного знака. Если разрезать изделие или срезать (а также стравить) с него поверхно­стный слой, то становится возможным упругое снятие макронапряжений. На измере­нии возникающих при этом упругих деформаций основаны механические методы оп­ределения величины и знака остаточных напряжений (напряжения вычисляют по де­формациям).

Остаточные напряжения могут вызвать искажение формы (коробление) и измене­ние размеров изделия во время его обработки, эксплуатации или хранения на складе. Коробление появляется в результате деформаций изгиба и кручения, возникающих при нарушении равновесия внутренних сил и моментов. Особенно частые и сильные коробления появляются при обработке резанием, так как удаление слоя металла на­рушает равновесие остаточных напряжений.

Самопроизвольные изменения размеров и коробление при хранении деталей про­исходят из-за постепенного перераспределения остаточных напряжений при их ре­лаксации. Скорость релаксации (уменьшения) напряжений зависит от их исходного уровня: чем он выше, тем быстрее идет релаксация. Так как в разных участках сечения изделия величина остаточных напряжений различна, то из-за неодинаковой скорости их релаксации при комнатной температуре нарушается исходное равновесие внутрен­них сил и моментов. При этом остаточные напряжения перераспределяются и уста­навливается новое состояние равновесия. Величина коробления становится больше с увеличением различия в степени релаксации остаточных напряжений в разных участ­ках сечения и уменьшением жесткости изделия при изгибе.

Создавая контролируемые остаточные напряжения, которые вычитаются из рабо­чих напряжений, можно повысить эксплуатационные свойства металла. Чаще всего в поверхностном слое намеренно создают сжимающие остаточные напряжения, кото­рые уменьшают опасные растягивающие рабочие напряжения. С этой целью приме­няют дробеструйный наклеп, азотирование и другие виды поверхностной обработки металла.