Тепловой эффект деформации

Ранее установлено, что упругая деформация – процесс обратимый, а пластическая – необратимый. В соответствии с законом сохранения энергии работа пластической деформации изменяет внутреннюю энергию кристалла. Деформация приводит к увеличению плотности дислокаций и образованию различных дефектов кристаллической решетки. Поэтому внутренняя энергия кристалла возрастает. Экспериментальные исследования показывают, что только незначительная часть работы А _пл переходит в энергию искажения решетки. В основном затраченная на пластическую деформацию работа переходит в тепловую энергию.

Обозначим работу деформации, переходящую в тепло, А _т и выразим ее через полную работу пластической деформации А _пл и коэффициент выхода тепла η_т:

.                                            (5.2)

На основании экспериментальных данных установлено, что η_т = 0,75...0,85 для сплавов. Это означает, что свыше трех четвертей работы деформации переходит в тепловую энергию и температура тела в очаге деформации повышается.

Тема 6

НАГРЕВ И РАЗУПРОЧНЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАННЫХ

МЕТАЛЛОВ

Нагрев и последующее охлаждение деформированных металлов приводят к существенным изменениями, связанным с упорядочением решетки, уменьшением количества дефектов и обусловливают разупрочнение металлов. Причинами этих изменений являются возврат и рекристаллизация.

Возврат. Упрочнение металла при деформации определяется совместным влиянием дефектов. Однако подвижность точечных, линейных и двумерных дефектов различна. Поэтому при нагреве и последующем охлаждении деформированных металлов наблюдаются изменения, обусловленные прежде всего точечными и линейными дефектами, которые обладают наибольшей подвижностью. В литературе эти изменения связывают с возвратом. Возврат – это процесс упорядочения кристаллической решетки деформированных металлов при их нагреве и охлаждении, приводящий к изменению субструктуры металлов. При возврате упорядочение кристаллической решетки происходит в пределах субзерен и не вызывает структурных изменений. Поэтому механические свойства деформированных металлов изменяются, не очень значительно (рис. 6.1).

6.1

В процессе возврата принято различать две стадии: отдых и полигонизацию. Нагрев деформированного металла до температуры Т ≈ 0,2 Т _пл, выдержка и последующее охлаждения приводят к отдыху. В результате отдыха значительно уменьшается количество точечных дефектов; избыточные вакансии устремляются к стокам, и их концентрация приходит к равновесной. Межузельные атомы занимают места вакансий. Дислокации противоположных знаков, лежащих в одних и тех же плоскостях скольжения в пределах субзерен, частично аннигилируют. В процессе отдыха происходят несущественные изменения, связанные с упорядочением решетки. Поэтому ощутимо изменяются только физические свойства, например электропроводность, которые сильно зависят от концентрации точечных дефектов. После нагрева до температуры 0,2 Т _пл< Т <0,3 Т _пл, выдержки и охлаждения происходит полигонизация. Под влиянием нагрева дислокации приобретают более высокую подвижность и образуют устойчивые конфигурации, которые приводят к уменьшению внутренней энергии решетки. Такими конфигурациями являются стенки дислокаций. Следовательно, после нагрева до температуры Т < 0,3 Т _пл, выдержки и охлаждения строение деформированного металла (его субструктура) существенным образом изменяется: снижаются концентрация вакансий и плотность дислокаций, дислокации выстраиваются в стенки и образуют субграницы, формируются области, почти свободные от дислокаций. Это вызывает ощутимые изменения физических и механических свойств: снижаются твердость и предел текучести, повышаются пластичность, уменьшается (в большинстве случаев) электрическое сопротивление.

Рекристаллизация. Дальнейшее повышение температуры обусловливает подвижность двумерных дефектов. По этой причине изменения в строении деформированных металлов захватывают уже структуру (зерна поликристаллических металлов). Такие глубокие изменения в структуре металлов обусловлены рекристаллизацией. Рекристаллизация – это процесс образования новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла. Новые зерна, в основном свободные от напряжений, имеют гораздо меньшую твердость и сопротивление деформации. Они образуются и растут за счет искаженных и поэтому неравновесных зерен деформированного металла. Процесс продолжается до тех пор, пока в структуре не исчезнут искаженные неравновесные зерна. Рекристаллизация различных металлов начинается при температурах около 0,4 Т _пл. Эта температура весьма условна и характерна для металлов технической чистоты. Для химически чистых металлов она снижается до (0,1…0,2) Т _пл.

При рассмотрении кинетики рекристаллизации принято различать следующие три стадии: первичную, собирательную и вторичную рекристаллизации.

Первичная рекристаллизация – это процесс образования устойчивых зародышей, из которых растут новые неискаженные зерна. Металлографическими методами получены прямые доказательства того, что зародыши при рекристаллизации появляются на участках с наибольшими искажениями, т.е. на границах зерен и субзерен. Чтобы ясно представить кинетику собирательной рекристаллизации, необходимо учесть, что повышение температуры металлов вызывает диффузию.

Диффузия – это перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие параметр решетки. Одна из важнейших характеристик диффузии – ее скорость, т.е. количество вещества m, перемещающегося через единицу площади поверхности за единицу времени.

Резкое повышение подвижности атомов при нагреве вызывает перестройку кристаллической структуры деформированных металлов: из состояний неустойчивого равновесия в сильно искаженных областях кристаллитов атомы переходят в положения устойчивого равновесия, подстраиваясь к неискаженным решеткам зародышей новых зерен. Этот процесс начинает интенсивно протекать при температуре, превышающей 0,4 Т _пл, и называется собирательной рекристаллизацией. В процессе собирательной рекристаллизации размеры зерен увеличиваются.

Рис. 6.2. Пространственная диаграмма рекристаллизации стали 50.

Однако зерна растут не беспредельно: процесс роста останавливается по достижении зерном равновесного размера d_р, который определяется температурой нагрева при рекристаллизации. Равновесное состояние наступает в тот момент, когда новые рекристаллизованные зерна полностью поглощают те, которые были в структуре металла до рекристаллизации. Новые зерна близки к равноосным и относительно однородны по

размерам. В большинстве случаев процесс

рекристаллизации на этом завершается.

Однако при повышении температуры нагрева некоторые зерна могут преимущественно расти за счет других, что приводит к аномальному росту этих отдельных зерен. Эта третья стадия называется вторичной рекристаллизацией. Таким образом, при нагреве выше температуры рекристаллизации структура деформированного металла преобразуется в структуру рекристаллизации, которая характеризуется равноосными зернами, относительно однородными по размеру.

Конечный размер зерен зависит от температуры нагрева, а также в значительной мере от степени предшествовавшей холодной пластической деформации. Чтобы наглядно представить эту связь, строят трехмерные диаграммы рекристаллизации. Анализ диаграмм показывает, что рекристаллизация начинается только по достижении критической степени деформации ε_кр (рис. 6.2). При ε ≈ ε_кр происходит резкое увеличение размера зерна. Для чистых металлов ε_кр лежит в интервале 1…5%, для сплавов – в пределах 5…15%. В большинстве случаев с повышением температуры значение ε_кр уменьшается. При увеличении степени деформации размер зерна, как правило, уменьшается. Эти важные свойства диаграмм рекристаллизации следует иметь в виду при назначении режимов деформации холодной штамповки. Если в процессе ОМД деформация попадает в интервал критических соответствующих данной марке материала, то после нагрева и рекристаллизации получим деталь с крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами.