Деформированные сплавы

Хотя при горячей обработке давлением и происходит коренное изменение строения сплава, но оно все же недостаточно, чтобы полностью устранить влияние литой структуры на его технологичность при последующей холодной обработке давлением. «Наследственность» литой структуры с не устраненной дендритной ликвацией проявляется в снижении пластичности холоднодеформированного сплава. Объясняется это тем, что при горячей обработке давлением, несмотря на сильное измельчение и «перемешивание» структуры, полностью не устраняется микронеоднородность сплава, вызванная дендритной ликвацией. Гомогенизация слитка, повышая пластичность холоднодеформированного сплава, улучшает состояние кромки холоднокатаных полос, позволяет сократить промежуточные отжиги и увеличить степень обжатия при холодной прокатке, улучшает штампуемость листов при глубокой вытяжке.

Наследственность литой структуры бывает весьма устойчивой и сказывается на служебных свойствах изделий, несмотря на то, что в технологическом цикле структура сплава испытывает такие мощные воздействия, как обработка давлением, закалка, отпуск и другие виды обработки. Так, в высокоуглеродистых сталях, легированных хромом и вольфрамом, в результате дендритной ликвации может появиться карбидная эвтектика. Это явление называют карбидной ликвацией. В изделиях, несмотря на горячую прокатку и закалку, сохраняются грубые скопления эвтектических карбидов. В этих местах выкрашиваются лезвие инструмента и трущаяся поверхность шарикоподшипника.

Гомогенизация слитка может не только улучшить, но и ухудшить некоторые свойства готовой продукции. Например, гомогенизация при 490°С в течение суток слитка из дуралюмина марки Д16 повышает на несколько процентов относительное удлинение закаленных и состаренных листов, но одновременно снижает их предел прочности на 1—1,5 кгс/мм².

Причиной сильного ускорения гомогенизации при отжиге с нагреванием до температур выше неравновесного солидуса является не присутствие жидкой фазы, а увеличение коэффициентов диффузии легирующих элементов с повышением температуры. Ведущим звеном процесса растворения фаз ниже и выше неравновесного солидуса является диффузионный отвод атомов легирующих элементов от межфазной границы в центральную зону дендритной ячейки. Сам по себе переход через точку солидуса не является критическим по отношению к процессу гомогенизации, но повышение температуры отжига даже на 20—30°С может резко, например в два раза, увеличить коэффициенты диффузии.

Гомогенизация при температурах выше неравновесного солидуса значительно сокращает продолжительность отжига, обеспечивающего необходимую технологическую пластичность при обработке давлением. Для некоторых сплавов возможно повышение обжатия и скорости обработки давлением, например скорости прессования. Кроме того, повышаются показатели пластичности деформированных полуфабрикатов, особенно поперек волокна.

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ И ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ

ОТЖИГИ

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.

Из определения видно, что обе разновидности термической обработки применяют, в основном, после холодной обработки давлением.

Прежде, чем рассматривать процессы рекристаллизационного и дорекристаллизационного отжигов, следует знать, какие изменения структуры и свойств происходят в металле в результате холодной обработки давлением.

Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, которые условно можно разделить на три группы:

а) изменение формы и размеров кристаллитов;

б) изменение их кристаллографической пространственной ориентировки;

в) изменение внутреннего строения каждого кристаллита.

а) Основное изменение формы кристаллитов состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной деформации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения). С повышением степени холодной деформации зерна все более вытягиваются и структура становится волокнистой.

При пластической деформации кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентировку — возникает текстура деформации.

б) Характер текстуры деформации (кристаллографическая ориентировка) зависит от вида и условий обработки давлением (в основном от схемы главных деформаций) и от природы металла (типа кристаллической решетки и энергии дефектов упаковки.

Если текстура волочения характеризуется пространственной ориентировкой определенного кристаллографического направления, вокруг которого кристалл может быть как угодно повернут, то текстура прокатки характеризуется преимущественной ориентировкой и кристаллографического направления, и кристаллографической плоскости.

В деформированном металле не все кристаллы имеют идеальную преимущественную ориентировку. Совершенство текстуры возрастает с ростом степени деформации.

Количество тепла, выделяющегося в металле при пластической деформации, меньше энергии, затраченной на деформирование. До 10—20% идущей на деформирование работы поглощается металлом. Эта часть работы, составляющая 0,1—1 кал/г при средних и больших степенях деформации, задерживается в металле в виде энергии дефектов кристаллической решетки, образующихся при пластической деформации.

в) Наиболее важное изменение внутреннего строения кристаллов при деформации металла — увеличение плотности дислокаций (отношения суммарной длины дислокаций к объему металла). У хорошо отожженного поликристаллического металла плотность дислокаций равна 10⁶— 10⁸ см^-2, при деформации на несколько процентов она возрастает до 10⁸— 10⁹ см^-2, а при сильной деформации — до 10¹¹ — 10¹² см^-2. Следовательно, плотность дислокаций при холодной обработке давлением может возрасти на пять-шесть порядков.

При степенях деформации примерно 5—10% у многих металлов и сплавов начинает формироваться ячеистая структура: сплетения дислокаций связываются между собой, образуя размытые объемные границы областей, внутри которых плотность дислокаций сравнительно невелика.

Эти области называют ячейками. Размер ячеек — порядка одного микрона, а толщина их границ—десятые доли микрона. С повышением степени деформации ячеистая структура становится более ярко выраженной. Границы ячеек делаются более узкими и из объемных стремятся превратиться в плоские. Ячейки полностью оконтуриваются границами, и внутри ячеек остается совсем мало дислокаций. Хорошо оформленные ячейки с плоскими стенками обычно называют субзернами, а структуру называют субзеренной.

Средняя плотность дислокаций при увеличении степени деформации возрастает в результате роста их плотности в сплетениях на границах, а не внутри ячеек. Из-за избытка в границах дислокаций одного знака соседние ячейки и субзерна разориентировапы на углы, находящиеся в интервале от нескольких секунд до нескольких градусов.

При пластической деформации возрастает концентрация точечных дефектов — вакансий и межузельных атомов. Точечные дефекты генерируются порогами скользящих винтовых дислокаций. С увеличением степени деформации одновременно с повышением плотности растянутых дислокаций растет и число дефектов упаковки.

Таким образом, с увеличением степени пластической деформации растет плотность дислокаций и избыток дислокаций одного знака, может формироваться ячеистая структура, увеличивается концентрация точечных дефектов и дефектов упаковки.Все эти изменения внутреннего строения кристаллитов — важнейший результат пластической деформации металлов и сплавов.

Наклеп

Под наклепом понимают упрочнение при обработке давлением. В более широком понимании наклеп — это совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при пластической деформации.

С увеличением степени холодной деформации показатели сопротивления деформированию (предел прочности, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (см. рис.1, где H - толщина изделия до деформации, h - толщина после деформации). При деформировании металла со степенью деформации более 50—70% предел прочности и твердость обычно увеличиваются в 1,5 – 2 раза, а иногда и в 3 раза в зависимости от природы металла и вида обработки давлением.

 

 

 

	Рис. 1. Зависимость механических свойств дуралюмина Д1 от степени обжатия при холодной прокатке.

 

 

Небольшие деформации (до 10%), как правило, значительно сильнее влияют на предел текучести, чем на предел прочности. При больших степенях деформации у некоторых сплавов предел текучести может возрастать в 5-8 раз и более.

Сильная деформация, увеличивающая предел прочности и твердость в 1,5—2 раза, снижает относительное удлинение в 10—20, а иногда и в 30—40 раз и более.

Рост показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности с увеличением степени предварительной холодной деформации происходят в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено скольжение уже имеющихся, а также генерирование и скольжение «свежих» дислокаций.

Границы ячеек и субзерен служат барьерами для скользящих дислокаций. Уменьшение расстояний между этими барьерами (уменьшение размера ячеек) способствует упрочнению при увеличении степени обжатия.

Увеличение числа дефектов решетки при холодной пластической деформации вызывает рост электросопротивления.