Наклеп и рекристаллизация металлов

Наиболее впечатляющим свойством металлов при пластической деформации является деформационное упрочнение, или способность металлов становиться прочнее при деформации. Из дислокационной теории следует, что для упрочнения металлов необходимо каким-либо образом затруднить движение дислокаций. Существует несколько способов закрепления дислокаций, один из которых является деформационным. Ранее рассмотренное простейшее введение дислокации в кристалл при сдвиге показывает, что пластическая деформация увеличивает количество дислокаций в кристалле. Чем сильнее воздействие на металл, тем больше в нем образуется дислокаций. На начальной стадии деформация происходит за счет скольжения относительно небольшого количества дислокаций. В процессе деформирования они движутся через кристалл и могут закрепляться различными препятствиями. Такие закрепленные дислокации сами затрудняют движение вновь возникших дислокаций, т.е. создается упрочнение самими дислокациями. В этом случае говорят об упрочнении деформацией или просто о наклепе металла. Пластическая деформация оказывает существенное влияние на механические свойства металла и его структуру (рис. 6).

 

На рис. 6 показано, как под действием приложенной нагрузки зерна, из которых состоят все технические металлы, начинают деформироваться и вытягиваться, сохраняя свой объем. Это структурно неустойчивое состояние. Кроме того, внутри каждого зерна и по его границам сосредотачивается большое количество дислокаций, плотность которых возрастает. То есть, кристаллическая решетка зерен становится искаженной, несовершенной. С увеличением степени деформации наклеп увеличивается, а пластичность уменьшается, что приводит при большой степени деформации к возникновению трещин и разрушению.

Для снятия наклепа деформируемый металл нагревают. Заключительным и сильно действующим процессом, переводящим наклепанный металл в устойчивое состояние, является рекристаллизация – процесс полной или частичной замены деформированных зерен данной фазы другими, более совершенными зернами той же фазы (рис. 7). Рекристаллизация заключается в зарождении новых, более совершенных зерен и их росте за счет менее совершенных, т.е. рекристаллизация является диффузионным процессом, протекающим во времени.

Наименьшую температуру, при которой начинается процесс рекристаллизации и происходит разупрочнение, называют температурой рекристаллизации. Между температурой рекристаллизации (Т _р) и температурой плавления (Т _пл) металлов существует простая зависимость, определенная металловедом А.А. Бочваром:

Т _р = a× Т _пл (К).

 

Если Т _р определяют по изменению твердости, то за Т _р принимают температуру, при которой прирост твердости, созданный деформацией, уменьшается вдвое (см. рис. 8).

 

Температура нагрева

Рис. 8. Определение температуры рекристаллизации по изменению твердости при нагреве

 

Температура рекристаллизации необходима для назначения режимов рекристаллизационного отжига – термической обработки для снятия наклепа. Температура такого отжига должна быть выше температуры рекристаллизации для данного сплава.

По температуре рекристаллизации различают холодную и горячую пластическую деформацию металлов.

 

Холодная деформация – деформация металла, которая осуществляется при температуре ниже температуры рекристаллизации. При холодной деформации увеличивается плотность дислокаций, зерна вытягиваются в направлении деформации, увеличивается прочность металла и снижается пластичность.

Горячая деформация – деформация металла, которая осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации. При горячей обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке, прессовании) упрочнение, создаваемое в процессе деформации, снимается в результате рекристаллизации в ходе самой деформации.

 

Таблица №1. Холодная деформация образцов технически чистой меди.

 

№ п/п	h, мм	Степень деформации e, %	Диаметр отпечатка	Твердость, НВ
	4,4	-	2,5	47,5
	3,7	15,9	1,9	84,9
	2,9	34,1	1,7
	2,0	54,5	1,6
	1,2	72,7	1,5
	0,7	84,1	1,2

 

Таблица №2. Горячая деформация образцов технически чистой меди.

№ п/п	h, мм	Степень деформации e, %	Диаметр отпечатка	Твердость, НВ
	4,55	-	2,5	47,5
	3,6	20,9	2,4	47,5
	3,2	29,8	2,5	47,5
	2,6	42,9	2,5	47,5
	0,8	82,4	2,45	47,5

 

Вывод: в результате проделанной работы установили, что при холодной обработке материала увеличивается количество дислокаций, которые увеличивают твердость материала. При горячей обработке материала количество дислокаций также увеличивается, но так как температура выше температуры рекристаллизации, дислокации устраняются и материал обладает такой твердостью, что была у него в исходном (недеформированном) состоянии.