Особенности холодной и горячей пластической деформации с точки зрения её ТМО

Сущность процесса возврата или  отдыха состоит в том, что при  деформировании металла, нагретого до температур (0,20... 0,30)Т_пл, повышается кинетическая энергия атомов и амплитуда их тепловых колебаний увеличивается настолько, что облегчает возвращение атомов в положения равновесия, отвечающие минимуму потенциальной энергии, происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перегруппировка дислокации (полигонизаиия). Возникающие при пластическом деформировании искажения кристаллической решетки и упругие деформации зерен в значительной степени снимаются, что обеспечивает некоторое снижение остаточных напряжений и частичное восстановление механических и физико-химических свойств металла. В результате протекания возврата твердость и прочность несколько снижаются, а пластичность возрастает, хотя исходных значений они не достигают. Частичное устранение искажений кристаллической решетки при возврате не оказывает влияния на микроструктуру металла. Возврат не препятствует образованию текстуры при деформации.

Возврат может происходить не только при деформировании нагретого металла, но и при нагреве металла до определенной температуры после холодной деформации. В этом случае он также частично снимает искажения кристаллической решетки, обеспечивая некоторое снижение остаточных, напряжений, уменьшение прочности, увеличение пластичности, но не оказывает влияния на размеры и форму зерен.

При нагреве деформированного металла  выше температуры возврата наступает процесс рекристаллизации.

Сущность процесса рекристаллизации состоит в том, что при температурах выше 0,3Т_пл энергетический потенциал атомов и их подвижность возрастают настолько, что они могут перегруппировываться и интенсивно обмениваться местами. Отдельные не искаженные в процессе деформации ячейки кристаллической решетки становятся зародышами новых зерен. К ним пристраиваются отдельные атомы или группы атомов смежных деформированных зерен, у которых решетка искажена и атомы находятся в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. В результате из зародышей начинают расти новые более или менее равновесные зерна. Новые зерна постепенно увеличиваются в размерах и с течением времени полностью поглощают деформированные зерна.

Рентгеновский анализ показывает, что новые зерна отличаются от старых не только формой, но и более совершенным внутренним строением без существенного искажения кристаллической решетки. Образование и рост новых зерен в процессе деформации, с менее искаженной решеткой за счет деформированных зерен называют рекристаллизацией обработки. Этот процесс заканчивается тогда, когда исчезают все деформированные зерна.

Процесс рекристаллизации является диффузионным процессом; он протекает во времени с некоторой скоростью, величина которой зависит от температуры, степени деформации и скорости нагрева. Чем выше температура, степень деформации и скорость нагрева металла, тем выше скорость рекристаллизации.

Температура начала рекристаллизации зависит от степени  деформации и других факторов. С  увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации уменьшается, стремясь к определенному  пределу. Наиболее низкую температуру (нижний предел) начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Для металлов сравнительно чистых (примерно 99,99%) температуру начала рекристаллизации t_р определяют по формуле

                   t_{p =}  m ( t_пл +  273) - 273, °С, 

где t_p и t_пл —температура соответственно рекристаллизации и плавления, °С; т—коэффициент пропорциональности.

Деформирование нагретого металла  выше температуры (0,7.. .0,8)t_пл, т. е. выше температуры рекристаллизации, представляет собою горячую деформацию. Она сопровождается одновременным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения.

Конечный результат этих процессов  зависит от соотношения скоростей  горячей деформации и рекристаллизации. Если скорость рекристаллизации больше или равна скорости горячей деформации, то упрочнение металла при деформировании полностью снимается. Если скорость горячей деформации больше скорости рекристаллизации, то разупрочнение полностью не осуществляется, и металл получает некоторое упрочнение.

Величина зерен металла, при  деформировании которого протекает рекристаллизация, зависит от степени, температуры и скорости деформации. Связь между размером (средним значением площади поперечного сечения ) зерен после деформирования, температурой и степенью деформации обычно представляют  объемными диаграммами рекристаллизации.

С увеличением температуры величина зерен растет. Зависимость величины зерен   от степени деформации имеет сложный характер. Для низкоуглеродистой стали при степени деформации до 8...10 % и температуре обработки до 900 °С величина зерен не увеличивается;  пластическая деформация происходит за счет внутризёренных перемещений без разрушения межкристаллитной пленки. При достижении степени деформации 8...10% пластическая деформация происходит также и за счет межзеренных перемещений, благодаря чему пленка, обволакивающая зерна, разрушается, и они имеют возможность соприкасаться друг с другом. Это облегчает объединение нескольких деформируемых зерен в одно зерно. В результате происходит скачкообразное увеличение размеров рекристаллизованных зерен. Такая рекристаллизация называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

Степень деформации, при которой  происходит скачкообразный рост рекристаллизованных зерен, называют критической степенью деформации. Для различных металлов и сплавов критическая степень деформации различна, но обычно не превышает 15 %.

Рекристаллизация происходит также  при нагреве холодно-деформированного металла до температуры, превышающей температуру начала рекристаллизации; этот процесс обычно называют рекристаллизационным отжигом; его применяют для снятия упрочнения, полученного при холодной деформации. Зависимость величины зерен от предшествовавшей степени деформации и температуры нагрева аналогична рассмотренной выше. В этом случае величина зерен зависит также от времени выдержки при температуре нагрева. При длительной выдержке протекает процесс собирательной рекристаллизации.                        

При весьма высоких степенях холодной деформации (94... 96%) наблюдается появление второго максимума на кривых рекристаллизации. При этом протекает процесс собирательной рекристаллизации. При указанных степенях деформации появляется совершенная текстура одинаково ориентированных кристаллов, что облегчает при высокотемпературном отжиге их слияние друг с другом и образование весьма крупных зерен. Если какие-то из новых зерен, полученных в результате собирательной рекристаллизации, имеют предпочтительные условия для роста, то эту стадию рекристаллизации называют вторичной. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, приводящая к разнозернистости структуры, способствует снижению механических свойств металла.

При возврате механические свойства металла изменяются незначительно, а при рекристаллизации—значительно (вследствие замены старых деформированных зерен новыми равноосными зернами с неискаженной решеткой). Выбирая температуру нагрева холоднодеформированного металла, можно получить требуемые значения σ_в и δ. Отжиг при высоких температурах, достигающих температуры перегрева t_п, или длительная выдержка при высокой температуре отжига, сопровождающаяся протеканием процесса собирательной рекристаллизации, дает крупнозернистую структуру, которая обусловливает уменьшение пластичности и прочности металла и является нежелательной.[5]

 

Заключение

Одним из эффективных методов повышения  механических свойств стали является термомеханическая обработка (ТМО), заключающаяся в совместном влиянии на свойства стали пластической деформации и ускоренного охлаждения (закалки). Существует два основных способа термомеханической обработки: высокотемпературная и низкотемпературная термохимическая обработка.

При высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО) сталь подвергают пластической деформации (прокаткой, ковкой или штамповкой) при температуре выше температуры точки Аз. После деформации сталь сразу же подвергают закалке и отпуску. Сочетание высокотемпературной деформации аустенита с последующей закалкой обеспечивают хорошую прочность, большую пластичность и вязкость стали при комнатной и пониженных температурах. Так, низколегированная сталь ЗОХГСА после прокатки с обжатием 25.. .30 % при температуре выше температуры точки Аз и последующей закалки с 800 °С имеет ударную вязкость при комнатной температуре, равную 0,60.. .0,75 МДж/м², а после обычной закалки с 800 °С ударная вязкость не превышает 0,2 МДж/м². Особенно большое влияние ВТМО оказывает на свойства стали при низких температурах (например, в жидком азоте). Так, после обычной закалки та же сталь имела предел прочности 1300 МПа и относительное удлинение до 4%. После ВТМО временное сопротивление при низких температурах возросло до 1650 МПа, а относительное удлинение до 14.. .16 %.

При низкотемпературной термомеханической  обработке (НТМО) сталь подвергают пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации, но выше температуры начала мартенситного превращения, т.е. в области относительной устойчивости  переохлаждённого аустенита (400-600 ^оС); при этом достаточно большое время инкубационного периода позволяет деформировать металл до начала превращения аустенита. После пластической деформации сталь сразу же подвергают закалке с последующим отпуском.

 

НТМО позволяет получить более  высокий предел прочности стали  при сохранении достаточной пластичности и вязкости. Так, если среднелегированную сталь (0,43 % С, 0,8 % Si, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % W) подвергнуть обычной закалке с 900 °С и отпуску при 100 °С, то получаем временное сопротивление 1520 МПа и относительное удлинение 1 %. После НТМО этой стали (нагрев до 900 °С, быстрое охлаждение до 550 °С, последующая прокатка, закалка с 550 °С и отпуск при 100 °С) предел прочности увеличился до 2750 МПа, а относительное удлинение до 6 %.

Значительное повышение механических свойств стали при ТМО достигается благодаря тому, что пластическая деформация аустенита сопровождается повышением плотности дислокации, а последующая закалка предотвращает протекание рекристаллизации. Мартенситная структура стали после ТМО является более дисперсной; прочность по границам зерен возрастает, что обеспечивает существенное повышение механических свойств стали и весьма выгодное сочетание ее прочностных и пластических характеристик.

Следовательно, повышая при ТМО  механические свойства стальных изделий, можно при изготовлении из них машин и механизмов снизить массу, повысить их надежность и долговечность, получить значительный экономический эффект.[1]

 

 

 

 

Список литературы

1.Бернштейн М. Л., Термомеханическая обработка металлов и сплавов. 1968

2.Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением.1977

3.Суворов И.К. Обработка металлов давлением. 1980

4.Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение.1980

5. Гуляев А.П. Металловедение. 1986