Изменение структуры металлов

При деформации изменяется не только форма отдельных кристаллитов, но и их положение в пространстве. В начале попытаемся описать изменение структуры поликристаллического тела на основе модельных представлений. Возьмем поликристаллическое тело А ₀ в виде куба и выделим в нем элемент М ₀, геометрически подобный рассматриваемому телу (рис. 5.13). Осуществим равномерную деформацию тела так, чтобы получить заданное относительное удлинение ε_ср вдоль оси z.

5.13

Элемент М ₀ также получит удлинение ε_z = ε_ср и останется геометрически подобным деформированному телу А_∂. Если в исходном состоянии кристаллиты имеют форму, близкую к равноосной, то элемент М ₀ можно выделить так, чтобы он был описан вокруг некоторого кристаллита K ₀ (рис. 5.13, а). Пусть плоскости скольжения в этом кристаллите образуют с осью z угол φ₀. При деформации кристаллита К сдвигом он приобретает форму К _∂ (рис. 5.13, б). Но в процессе деформации элемент М ₀ преобразуется в элемент М _∂, а кристаллит К _∂ не выходит за пределы элемента М _∂. Это значит, что при деформации кристаллит поворачивается, а угол между плоскостями скольжения и осью z уменьшается до φ_∂. Следовательно, при пластической деформации кристаллиты приобретают удлиненную форму, вытягиваясь вдоль направления главной деформации, а плоскости скольжения, поворачиваясь в пространстве, получают преимущественную ориентировку в направлении главной деформации. Действительная картина деформации гораздо сложнее. Пластическая деформация осуществляется скольжением и (или) двойникованием. Она может происходить по нескольким плоскостям. Деформация в большинстве случаев бывает неравномерной. Значит выводы, полученные на основе модельных представлений, необходимо проверить экспериментально.

На рис. 5.14 показаны микроструктуры стали 18ХГТ в исход состоянии и после холодной пластической деформации. Как видим, после деформации кристаллиты действительно приобретают удлиненную форму, вытягиваясь вдоль направления главной деформации. По внешнему виду они напоминают волокна (например, волокна дерева).

Структура, которая характеризуется кристаллитами неравноосной формы, вытянутыми вдоль направления главной деформации, называется волокнистой. Волокнистая структура появляется при деформации

Рис. 5.14. Микроструктуры стали 18ХГТ в исходном отожженном состоянии (а) и после холодной пластической деформации (б). Стрелкой показано направление главной деформации.

 

30...50%. Поликристаллическое тело приобретает весьма ощутимую анизотропию свойств. Как правило, прочность и пластичность металла в направлении главной деформации увеличиваются, а в поперечном направлении уменьшаются. Это необходимо учитывать в технологии последующей обработки давлением и конструирования изделий из листовых материалов. Например, изгиб холоднокатаных листов вдоль направления прокатки приводит к разрушению значительно чаще и при больших радиусах изгиба, чем изгиб поперек направления прокатки.

В случае больших степеней деформации (например, при прокатке листов) плоскости скольжения поворачиваются в пространстве так сильно, что углы φ_∂, образованные плоскостями с направлением главной деформации, становятся весьма малыми, и кристаллографические оси всех кристаллитов получают преимущественную ориентировку. Структура, которая характеризуется преимущественной ориентировкой кристаллографических осей, называется текстурированной структурой, или текстурой. Текстура появляется при деформации 70...90% и обуславливает сильную анизотропию свойств деформированных металлов. Во многих случаях это приводит к нежелательным последствиям. Например, при вытяжке цилиндрических стаканов образуются фестоны, и значительная часть детали удаляется при обрезке кромки.

Итак, холодная пластическая деформация приводит к существенному изменению структуры: при умеренных степенях деформации исходная структура с равноосными кристаллитами преобразуется в волокнистую, а при весьма больших степенях деформации – в текстурированную структуру. Соответствующей термической обработкой волокнистую структуру можно устранить возвратить металлу квазиизотропные свойства. В зависимости от природы металла текстура, полученная при деформации, после термической обработки может исчезнуть, остаться неизменной или превратиться в текстуру рекристаллизации.

Механизм упрочнения.

В процессе деформации металлов их структура претерпевает глубокие изменения: кристаллиты дробятся на блоки, образуется волокнистая структура и текстура. Это сильно затрудняет движение дислокаций через монокристальные зерна, образующие рассматриваемое деформируемое тело.

Пусть в каком – либо зерне К _m поликристаллического тела в плоскости скольжения S ₁ действует источник дислокаций R ₁ (рис. 5.12, б). Он генерирует дислокации, которые направляются к границам кристаллита. Однако границы – это эффективные барьеры, и дислокации останавливаются у границ, силовые поля τ, направленные против движения дислокаций. В процессе деформации образца плотность дислокаций в зерне К _m увеличивается, на его границах образуются ступеньки, которые порождают дислокации в соседних зернах по гетерогенному механизму. Поворот кристаллита К _m вызывает появление новых плоскостей, например S ₂, в которых действующее напряжение τ приближается к критическому. Это создает благоприятные условия для возникновения новых источников дислокаций, например R ₂. Движение дислокаций по системам взаимно пересекающихся плоскостей, параллельных S ₁, S ₂, вызывает образование ячеистой дислокационной структуры.

Образование ячеистой структуры приводит к значительному сокращению длины свободного пробега дислокации и увеличению интенсивности силовых полей, направленных против движения дислокации, что обусловливает возрастание сопротивления деформации.