Пластическое деформирование металлов и сплавов

Пластическое деформирование металлов и сплавов

Пластическое деформирование металлов и сплавов имеет очень большое значение в технике, так как подавляющую часть их, осо­бенно стали, обрабатывают давлением. Важнейшие технологи­ческие процессы обработки металлов давлением, такие как ковка, штамповка, прокатка, прессование, волочение и др., основаны на спо­собности металлов получать под действием внешней силы остаточ­ные пластические деформации, обеспечивающие необходимые раз­меры и форму заготовок и изделий. Процесс пластической деформа­ции также является основой обработки металлов резанием. Способ­ность металлов пластически деформироваться имеет большое зна­чение и для обеспечения надежности и долговечности работы изде­лий. Если способность металла изделий к пластической деформа­ции мала, то в таких изделиях в процессе работы может скорее про­изойти хрупкое разрушение.

Одновременно с изменением размеров и формы в пластически деформируемом изделии изменяются структура и свойства. Это да­ет возможность использовать пластическое деформирование как технологическую операцию, изменяющую в желательном направ­лении структуру и свойства металлов и сплавов. Особое значение пластическое деформирование приобретает в том случае, когда ме­таллы и сплавы не имеют фазовых превращений в твердом состоя­нии и путем термической обработки нельзя изменить их структуру и свойства (например, для легированных аустенитных и ферритных сталей).

Пластическая деформация протекает не только под действием внешней силы, но и под влиянием внутренних фазовых превраще­ний, сопровождающихся объемными изменениями (внутрифазовый наклеп). Внутрифазовый наклеп оказывает влияние на структуру и существенно отражается на формировании свойств при термической обработке металлов и сплавов.

 

Физическая сущность процесса деформирования

По современным представлениям, пластическое деформирова­ние металла состоит в последовательном массовом перемещении атомов по определенным плоскостям и направлениям кристалличес­кой решетки. Результатом перемещения являются процессы сколь­жения или двойникования атомных слоев металла относительно соседних по определенным кристаллографическим плоскостям (плос­костям скольжения) и направлениям (направлениям скольжения). Плоскостями скольжения в металлах обычно являются плоскости кристаллической решетки с наибольшей атомной плотностью. Вдоль этих плоскостей сопротивление скольжению наименьшее. Таких плоскостей в решетке в зависимости от ее формы может быть одна или несколько.

На рис. 49 показаны плоскости скольжения: (001) — в гекса­гональной решетке (а), (110) — в объемноцентрированной кубичес­кой (б) и (111) — в гранецентрированной кубической (в).

Кристаллографические плоскости скольжения в решетках различной формы

Кристаллографические плоскости скольжения в решетках различной формы

Из рис. 49 следует, что наименьшее число плоскостей скольже­ния (только одну) имеют металлы с гексагональной решеткой. У ме­таллов, имеющих кубическую гранецентрированную решетку, та­ких плоскостей четыре, а у металлов с объемноцентрированной решеткой — шесть. Чем меньше плоскостей и направлений сколь­жения, тем ниже пластичность металла. Поэтому металлы, имею­щие гексагональную решетку (магний, цинк, бериллий и др.), обла­дают небольшой пластичностью и хуже обрабатываются давлением.

Процесс пластической деформации наиболее удобно изучать на монокристаллах металла. В результате такого изучения установле­но, что процесс деформирования может протекать путем сколь­жения и путем двойникования. Схема изменений в атомно-кристаллической решетке при скольжении приведена на рис. 50, а. При двойниковании (рис. 50, б) перемещение атомов в определенной, ограниченной части монокристалла происходит та­ким образом, что одна часть монокристалла оказывается как бы повернутой по отношению к другой его части, занимая по отноше­нию к ней симметричное положение.

Схема изменений в кристаллической решетке при пластической деформации

Схема изменений в кристаллической решетке при пластической деформации

При малых степенях деформации скольжение атомных слоев начинается вначале по плоскостям, наиболее благоприятно ориен­тированным к направлению сдвига. По мере увеличения степени деформации скольжение распространяется и на другие плоскости. Таким образом, происходит последовательное распространение процесса пластической деформации по всему монокристаллу. Следы скольжения можно обнаружить при пластическом деформировании полированных образцов металла в виде линий скольже­ния в пределах отдельных зерен, которые сначала группируются в пластинки, затем в пачки, а потом, по мере развития деформации, — в полосы скольжения.

Если деформация протекает путем двойникования, то в микро­структуре металла появляются характерные двойные пластинки — двойники, например, γ-меди, латуни, γ-железа и др.

При пластическом деформировании металлов часто наблюдается одновременное скольжение и двойникование.

Для объяснения механизма пластического деформирования была разработана теория дислокаций. По этой теории при пластическом деформировании в металле образуются, перемещаются и взаимо­действуют между собой и с другими дефектами кристаллического строения линейные несовершенства, называемые дислокациями. Впервые понятие о дислокациях было введено в 1934 г. Тэйлором в Англии и одновременно венграми — Орованом и Поляни. Теория дислокаций, получившая в последнее время экспериментальное подтверждение , объясняет многие явления, протекающие в ме­таллах, в том числе низкую реальную прочность металлов по срав­нению с их теоретической прочностью.

Образование дислокаций связано с процессом скольжения, про­исходящим в металле под действием внешних или внутренних сил. Дислокацией называют границу между областью, в которой скольжение уже произошло, и областью, еще не затронутой сколь­жением.

На рис. 51 показана схема образования, перемещения и выхода на поверхность единичной дислокации в монокристалле металла. Из рис. 51, а видно, что скольжение происходит неодновременно: в области В скольжение уже произошло, в области А оно еще не начиналось; область С является промежуточной. В процессе сколь­жения промежуточная область С перемещается в направлении об­ласти А (рис. 51, б), а затем выходит на поверхность (рис. 51, в). Происходит сдвиг на междуатомное расстояние. Промежуточная область С является простым примером единичной дислокации.

Схема зарождения и развития единичной дислокации

Схема зарождения и развития единичной дислокации

Протяженность промежуточной области (расстояние С) назы­вают шириной дислокации. Ширина дислокации определяет ее подвижность, т. е. способность скользить вдоль плоскости сколь­жения под действием приложенной силы. Чем уже дислокация, тем она подвижнее. Ширина дислокации очень мала (например, ширина дислокации меди равна шести параметрам решетки), тогда как дли­на ее может быть равна многим тысячам межатомных расстояний. Важнейшей геометрической характеристикой дислокации является вектор Бюргерса (вектор сдвига). При скольжении дислокации в кристалле атомы сдви­гаются относительно своих соседей на опре­деленное расстояние и в определенном направ­лении. Вектор, опреде­ляющий величину и направление смещения атомов, называют векто­ром Бюргерса данной дислокации. В приве­денном на рис. 51 при­мере вектор Бюргерса равен одному межатом­ному расстоянию и направлен вдоль ряда атомов. В этом случае единичная дислока­ция имеет вектор Бюргерса, равный вектору решетки.

В составной дислокации (сверхдислокации) вектор Бюргерса больше одного вектора решетки; длина его может быть равна нес­кольким сотням или даже тысячам межатомных расстояний. Такую дислокацию можно различить под микроскопом.

Дислокации подразделяют также на совершенные и несовершен­ные. Совершенная дислокация имеет вектор Бюргерса, равный це­лому числу векторов решетки (см. рис. 51); у несовершенной дислока­ции вектор Бюргерса не равен целому числу векторов решетки. Не­совершенные дислокации при возникновении образуют новые кон­фигурации атомов. Дислокациями такого типа являются дислокации двойникования.

Некоторые типы несовершенных дислокаций не способны к скольжению и называются поэтому застрявшими. Застрявшие дис­локации служат препятствием для подвижных дислокаций и вызы­вают увеличение сопротивления монокристалла пластической де­формации.

Различают также дислокации линейные (краевые), винтовые и смешанные. В линейных дислокациях направление сдвига перпен­дикулярно к вектору Бюргерса, в винтовых-параллельно ему. Смешанные дислокации представляют комбинацию линейных и вин­товых дислокаций.

Важной характеристикой является плотность дислокаций — количество дислокаций в 1 см² площади. Наибольшая плотность дислокаций у пластически деформированного металла (1012 на 1 см²). В металле всегда имеются дислокации; в процессе пластичес­кого деформирования происходит их дополнительное образование и накопление.

Значительно сложнее, чем в монокристаллах, протекает процесс пластического деформирования в поликристаллах. Процесс сколь­жения в поликристаллических металлах затруднен из-за наличия большого числа зерен, отличающихся величиной и формой и раз­лично ориентированных по отношению друг к другу. При пласти­ческом деформировании поликристалла число дислокаций и других несовершенств кристаллической решетки увеличивается; происхо­дит перераспределение дислокаций и их концентрирование на гра­ницах зерен, фрагментов и блоков мозаики. Поэтому сопротивле­ние деформированию у поликристаллических металлов значитель­но выше, чем у монокристаллов, а пластичность их ниже.

Различают два способа пластического деформирования метал­лов, применяемых в технике: холодную обработку дав­лением (или холодную пластическую деформацию) и горя­чую обработку давлением (горячую пластическую деформацию).

К холодной обработке давлением относятся такие технологичес­кие операции, как волочение, холодная штамповка, холодная про­катка и др. К горячей обработке давлением принадлежат горячая прокатка, ковка, горячая штамповка и т. п. Влияние холодной и горячей обработок давлением на структуру и свойства металлов и сплавов неодинаково.

 

Влияние холодной обработки давлением на структуру и свойства металлов и сплавов

Рентгеноструктурный анализ показывает, что кристаллическая решетка металла, подвергнутого холодной обработке давлением, искажается; в ней возникают напряжения. Повышается коли­чество дефектов решетки. Изменяется тонкая структура металла — блоки мозаики измельчаются. Зерна металла раздробляются, а рав­ноосная форма их, наблюдавшаяся до деформации, теряется. Ос­колки зерен получают продолговатую форму, вытягиваясь в направ­лении действия внешней силы при растяжении и перпендикулярно к нему — при сжатии. Кристаллические решетки зерен приобретают определенную пространственную ориентировку, называемую тек­стурой деформации. Микроструктуру металла после холодной деформации называют волокнистой струк­турой.

На рис. 52 приведена микроструктура железа после волочения — осколки светлых зерен феррита, вытянутые в направлении действия внешней силы. Изменяется также и макроструктура металла. В зер­нах деформированного металла появляются линии скольжения, обнаруживаемые под микроскопом, а на поверхности полированных образцов можно непосредственно наблюдать макрополосы, распо­ложенные под углом 45, 60 или 90° к направлению действия внешней силы (линии Чернова — Людерса).

Волокнистая структура железа после волочения

Волокнистая структура железа после волочения

Под влиянием холодной обработки давлением металл упрочня­ется- значения характеристик прочности — σВ и σS повышаются, а пластичности и вязкости — δ, ψ, aII  понижаются. В качестве примера можно привести механические свойства литой и холодно- деформированной меди. Литая медь имеет σВ = 148-196 Мн/м² (15-20 кГ/мм²) и δ = 15-25%; после деформирования σВ состав­ляет 392-421 Мн/м² (40-43 кГ/мм²), а δ уменьшается до 1-2%. Изменяются и физико-химические свойства: растворимость в кис­лотах, электрическое сопротивление, коэрцитивная сила повыша­ются, а плотность, магнитная проницаемость и электропроводность деформированных металлов понижаются.

С увеличением степени деформации происходит дальнейшее по­вышение прочности и твердости и снижение пластичности. Напри­мер, σВ низкоуглеродистой стали после горячей прокатки состав­ляет 480 Мн/м² (49 кГ/мм²), после 5%-ного холодного обжатия — 568 Мн/м² (58 кГ/мм²), 10%-ного — 608 Мн/м² (62 кГ/мм²) и 15%-ного 647 Мн/м² (66 кГ/мм²). При степени обжатия 96-97% у тонкой проволоки из высокоуглеродистой стали (1,2% С) предел прочности может превысить 3924 Мн/м² (400 кГ/мм²).

Изменение структуры и свойств металлов и в основном получае­мое ими под влиянием холодной пластической деформации упроч­нение называют наклепом. Наклеп часто используют в прак­тике; например, многие изделия поставляются металлургическими заводами в наклепанном (нагартованном или полунагартованном) состоянии.

Пластическое деформирование, увеличивая искаженность кри­сталлической решетки, число дефектов в ней и свободную энергию системы, значительно ускоряет диффузию. Например, под влиянием пластического деформирования коэффициент самодиффузии угле­рода возрастает в несколько сотен тысяч раз. Вследствие этого диф­фузионные превращения, протекающие в металлах и сплавах в твер­дом состоянии, в частности распад пересыщенных твердых растворов и упорядочение, под влиянием пластического деформирования ус­коряются. Коррозионная устойчивость деформированных металлов понижается.

Изменение свойств при холодной деформации обусловлено ис­кажениями и напряжениями решетки, увеличением числа кристал­лических несовершенств, размельчением зерен, фрагментов и бло­ков мозаики, а также увеличением углов их ориентировки друг к другу.

Исследования показали, что основное влияние на прочность металлов и сплавов оказывают кристаллические несовершенства в первую очередь, дислокации вакансии.

На рис. 53 приведена схем влияния числа кристаллическинесовершенств на предел прочности металлов и сплавов. Из схемы видно, что теоретическая прочность идеальной кристаллической ре­шетки, в которой все атомы одновременно воспринимают действие нагрузки, во много раз выше реальной прочности. Наличие в кри­сталлической решетке несовершенств вначале приводит к резкому снижению прочности, однако при дальнейшем увеличении числа несовершенств прочность снова возрастает.

Схема изменения предела прочности в зависимости от числа несовершенств в кристаллической решетке металлов и сплавов

Это положение подтверждается изучением прочности монокри­сталлических, практически бесдислокационных металлических ни­тей, диаметром в несколько микрометров и длиной в несколько мил­лиметров, называемых «усами». Исследования показали, что предел прочности при растяжении железных «усов» составляет 14715 Мн/м2 (1500 кГ/мм²), тогда как для железа он не превышает 490 Мн/м² (50 кГ/мм²).

Г. В. Курдюмов, А. А. Бочвар, И. А. Одинг и др. указали на два пути упрочнения металла. Первый из них — получение металла с идеальной решеткой, не имеющей дислокаций. В этом случае пластическая деформация будет осуществляться путем одновре­менного смещения относительно друг друга всех атомов, располо­женных по обе стороны от плоскости скольжения. При этом все атомы будут одновременно сопротивляться скольжению и металл будет упрочняться. Другим, более реальным в настоящее время, путем является получение металлов с наибольшим числом несо­вершенств кристаллической решетки, в том числе и дислокаций. Ес­ли создать такие условия, при которых пластическая деформация будет осуществляться перемещением большого числа дислокаций, и одновременно увеличить число препятствий их перемещению, то сопротивление деформации возрастет и прочность металла увели­чится.

Препятствиями для перемещения дислокаций (и других несо­вершенств) в металлах и сплавах являются измельчение зерен, фрагментов и блоков мозаики, их взаимная разориентировка, вве­дение инородных атомов, выделения фаз и другие изменения в струк­туре металлов и сплавов.

Различные виды обработки — пластическое деформирование, упрочняющая термическая обработка, а также легирование вызы­вают одновременно образование как дислокаций, так и препят­ствий для их перемещения, в результате чего прочность металлов и сплавов повышается.

Предпочтительная ориентация кристаллических решеток зерен и самих зерен в наклепанном поликристаллическом металле вызы­вает анизотропию свойств. В большинстве случаев анизотропия свойств, вызванная холодной обработкой, вредна; так, пластические свойства и ударная вязкость, определенные на поперечных образ­цах, ниже чем на продольных. Однако в некоторых случаях анизо­тропия свойств создается умышленно.

Металл, подвергнутый холодной обработке давлением, обла­дает повышенным запасом внутренней энергии и поэтому находит­ся в термодинамически неустойчивом состоянии. В соответствии со вторым законом термодинамики такая система стремится к состоя­нию с наименьшим запасом свободной энергии. Этот процесс в низ­коуглеродистой стали протекает при комнатной температуре — естественное деформационное старение, однако для этого необходимо длительное время. В результате де­формационного старения прочность и твердость стали повышаются, а пластичность и особенно ударная вязкость понижаются. Порог хладноломкости сдвигается в область более высоких температур. При повышении температуры, например, нагрев стали до 100- 250° С, этот процесс ускоряется — искусственное дефор­мационное старение.

Деформационное старение имеет большое значение. Например, значительную часть железнодорожных рельсов из-за деформации после прокатки подвергают правке в холодном состоянии. В зим­нее время рельсы работают в условиях пониженных температур. Хрупкость, развивающаяся в рельсовой стали в результате естест­венного деформационного старения, а также действия низких тем­ператур, является одной из причин преждевременного разрушения рельсов в пути. Вредное влияние деформационного старения на свойства стали заставило предусмотреть в ГОСТах на некоторые марки конструкционных низкоуглеродистых сталей испытание их на склонность к деформационному старению.

Упрочнение при деформационном старении низкоуглеродистой стали объясняется взаимодействием дислокаций с атомами раство­ренных элементов (азота, углерода). Эти атомы расположены не беспорядочно, а образуют вокруг дислокаций атмосферы (называе­мые также «облаками Котрелла»). Атмосферы из атомов растворен­ных элементов препятствуют перемещению дислокаций, вследствие чего сопротивление деформации повышается и металл при дефор­мационном старении упрочняется.

Рентгенографический анализ показывает, что при нагреве де­формированного металла до определенных температур происходит уменьшение напряжений кристаллической решетки. Это явление называют возвратом (отдыхом). Различают возврат первого и второго рода. Возврат первого рода протекает при невысоком на­греве; он состоит в частичном снятии упругих напряжений кристал­лической решетки и не сопровождается пластической деформацией. Возврат второго рода протекает при более высоком нагреве; при нем уменьшение напряжений и искажений решетки сопровождается пластическим деформированием и появлением внутри деформиро­ванных зерен блоков мозаики и фрагментов.

Замена деформированной микроструктуры новой и снятие на­клепа, вызванного деформированием, происходит при нагреве ме­талла выше температуры, называемой температурой ре­кристаллизации. Она является определенной для каж­дого металла. А. А. Бочваром показано, что между температурой рекристаллизации и температурой плавления существует зависи­мость, выражающаяся в том, что абсолютная температура рекри­сталлизации чистого металла составляет примерно 0,4 от его абсо­лютной температуры плавления (Трекр= 0,4Тпл). Вычисленная по этому уравнению температура рекристаллизации равна: для же­леза 450°, для меди — 200°, для алюминия — 150° С. Однако тем­пература рекристаллизации зависит не только от температуры на­грева, но и от других факторов. Например, чем больше степень де­формации, тем ниже температура рекристаллизации. При наличии примесей температура рекристаллизации металла повы­шается.

Различают рекристаллизацию: первичную (рекристаллизацию обработки) и вторичную (собирательную рекристаллизацию).

Рекристаллизация обработки характеризу­ется возникновением и ростом новых зерен из деформированных. Процесс рекристаллизации связан с перемещением атомов метал­ла на расстояния, примерно равные междуатомным, и по своей при­роде близок к диффузионному. При повышении температуры про­должается рост зерен, образовавшихся при рекристаллизации об­работки. Этот процесс получил название собирательной рекристаллизации. Зерна при этом могут быть меньше зерен до деформирования, а могут превышать их в несколько раз, в результате чего пластичность и вязкость металла снижаются.

На величину зерна при рекристаллизации, кроме температуры нагрева, влияют, также время выдержки, степень деформации и величина исходного зерна.

Большое влияние на величину зерна оказы­вает степень деформа­ции. При определенной степени деформации, называемой критической, в процессе рекристаллизации об­разуются зерна боль­шой величины. Степень критической деформа­ции невелика; напри­мер, для низкоуглеро­дистой стали она со­ставляет 7-15%. По­этому при горячей обработке стали дав­лением следует избегать обжатий с этими степенями деформации.

Зависимость величины зерна от основных факторов — темпера­туры нагрева и степени деформации, для каждого металла выража­ют пространственной диаграммой, называемой диаграммой рекристаллизации (рис. 54). Диаграммы рекристалли­зации имеют большое практическое значение; пользуясь ими, можно определить оптимальные для получения мелкого зерна после ре­кристаллизации температуру нагрева и степень деформации ме­талла. Недостаток рекристаллизационных диаграмм состоит в том, что в них не учитывается влияние времени выдержки и величины исходного зерна металла.

Диаграмма рекристализации железа

Диаграмма рекристализации железа

Явление рекристаллизации лежит в основе операции термиче­ской обработки, называемой рекристаллизационным отжигом, проводимым для снятия наклепа и повышения пла­стичности при холодной обработке металлов давлением, а также для получения необходимых структуры и свойств полуфабрикатов и изделий, особенно из цветных металлов и сплавов.

Температуру рекристаллизационного отжига выбирают значи­тельно выше температуры рекристаллизации, вычисленной по урав­нению А. А. Бочвара, например, для железа она составляет 650- 700°.

 

Влияние горячей обработки давлением на структуру и свойства металлов и сплавов

Если деформировать металл, нагретый выше температуры ре­кристаллизации, то в нем будут одновременно протекать оба про­цесса: наклеп и рекристаллизация. Однако скорость рекристалли­зации будет превышать скорость наклепа. В результате металл пос­ле рекристаллизации приобретает такие же структуру и свойства, какие он имеет после холодной обра­ботки давлением и последующего рекристаллизационного отжига.

Из сказанного следует, что дефор­мация металла ниже температуры ре­кристаллизации, называется холод­ной, а выше — горячей.

Горячей обработке подвергают обычно литой металл, и она оказы­вает положительное влияние на его макро- и микроструктуру. Так, например, увеличивается плотность металла, завариваются имеющиеся в нем усадочные раковины, пусто­ты и газовые пузыри, уничто­жается присущая литому метал­лу дендритная структура. Однако в металле после горячей обработки давлением, так же как и в холоднодеформированном металле, появляется анизотропия свойств. Причиной анизотропии свойств в горячеобработанном ме­талле является наличие текстуры рекристаллиза­ции, а также, например, в стали ликвирующих примесей и неме­таллических включений, которые вытягиваются в направлении деформирования и располагаются рядами между зернами феррита. Такая структура носит название строчечной. На рис. 55 приведена строчечная структура железа после горячей прокатки; на микрофотографии видны неметаллические включения темного цвета, образующие ряды (строчки) между светлыми зернами феррита.

Строчечная структура железа после горячей прокатки

Строчечная структура железа после горячей прокатки

Анизотропия свойств сказывается на пластичности и особенно на ударной вязкости горячеобработанной стали; величина ударной вязкости у поперечных образцов значительно ниже, чем у продоль­ных. В то же время анизотропию свойств, обусловленную текстурой рекристаллизации, используют, например, для улучшения магнит­ных свойств трансформаторной стали.

При горячей обработке давлением в металле могут появиться различные дефекты: крупнозернистость и видманштеттова струк­тура в результате перегрева и пережога стали, трещины и др.

Перегрев и пережог металла являются результатом неправиль­ного выбора температуры нагрева при горячей обработке давлением. Для уменьшения сопротивления пластическому деформированию (повышения пластичности металла) температуру нагрева следует выбирать возможно более высокой; однако при этом может увели­читься зерно и вследствие этого понизиться ударная вязкость. По­этому при горячей обработке давлением необходимо указывать тем­пературу начала обработки, обусловливающую наименьшее сопро­тивление деформированию, и температуру конца обработки, обес­печивающую рекристаллизацию металла и необходимые размеры зерен.

Обе эти температуры выбирают на основании диаграммы со­стояния соответствующих сплавов; например, для стали их опре­деляют по диаграмме состояния сплавов Fe — Fe3C. Температуру начала горячей обработки стали принимают на 100-200° ниже ли­нии солидуса, а температуру конца обработки — на 30-50° выше линии GS для доэвтектоидных сталей и на 30-50° выше линии SE для заэвтектоидных сталей (см. рис. 40).

Структурная диаграмма состояния сплавов железо - цементит

Структурная диаграмма состояния сплавов железо — цементит

Правильный выбор температуры нагрева при обработке давле­нием имеет большое значение, особенно для углеродистых конст­рукционных сталей, значительная часть которых не подвергается термической обработке и применяется для изготовления деталей машин и конструкций непосредственно после холодной или горячей обработки давлением. В ряде случаев существенно влияет также скорость охлаждения горячеобработанного металла.