Изменения структуры и свойств при холодной пластической деформации металлов и сплавов

Известно, что управлять структурой металлов и сплавов, а соответственно и их свойствами, можно не только изменяя скорость при охлаждении и кристаллизации, но и путем воздействия внешней силы т. е. используя деформацию.

При этом деформирование материала может быть упругим и пластическим, на рис.4.1 представлена характерная для углеродистой стали схема зависимости между приложенным усилием (σ, МПа) и деформацией (ε, %).

Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла. При возрастании напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой и атомы расположенные в узлах кристаллической решетки смещаются на расстояния больше межатомных. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, оставшаяся часть называется пластической деформацией.

Существует два механизма пластической деформации: сдвиговой механизм – заключается в упорядоченном смещении отдельных частей кристалла под действием внешних сил. Сдвиговая деформация наступает почти одновременно с приложением сил. Сдвиговой механизм реализуется за счёт скольжения и двойникования. – дифузионный механизм – реализуется при высоких температурах (близких к температуре плавления) и низких внешних нагрузках.

При приложении к телу внешней нагрузки самодиффузия идет направленно, в результате под действием растягивающих сил тело удлиняется, а его поперечное сечение уменьшается. Диффузионная пластическая деформация идет очень длительно, она реализуется при постоянно приложенных напряжениях величина которых недостаточна, чтобы вызвать пластическую деформацию при кратковременном действии.

Дифузионный механизм реализуется за счёт диффузионного массопереноса и зернограничного скольжения. Для рассмотрения изменения металла при сдвиговой деформации на основе ее атомного механизма стоит отметить некоторые особенности строения кристаллических тел, представленные ниже.

Все металлы и металлические сплавы тела кристаллические (рис. 4.2), атомы (ионы) расположены в металлах закономерно (так как при затвердевании образуется кристаллическая решетка вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла) в отличие от аморфных тел, в котором атомы расположены хаотично. Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения атомов в пространстве (узлы кристаллической решетки).

Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с элементами симметрии.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме называется элементарной ячейкой. Описывая строение кристаллов, используют их идеальные модели (рис. 4.3). Однако реальные кристаллы не обладают правильной (идеальной) кристаллической решеткой, так как в них всегда наблюдаются нарушения строгой периодичности в расположении атомов – дефекты кристалла (дефекты кристаллической решетки).

Дефекты образуются в процессе роста кристаллов под влиянием теплового движения молекул, механических воздействий, облучения потоками частиц, из-за присутствия в объёме примесей.

Различают несколько видов дефектов по размерности: нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трехмерные (объемные) дефекты.

К точечным дефектам кристаллов относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесными (рис. 4.4). Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения.

Точечные дефекты – по сути это искажение кристаллической решетки, имеющие во всех направлениях размеры, соизмеримые с межатомными расстояниями. Они могут быть статическими (малоподвижными) и динамическими (подвижными). К динамическим точечным дефектам относят искажения кристаллической решетки, вызванные отклонением частиц от положения равновесия при тепловых колебаниях.

Встречи одноименных точечных дефектов, например вакансий, приводят к их слиянию в единую протяженную несплошность (см. ниже цепочки вакансий). При слиянии двух вакансий такое образование называется бивакансией, трех тривакансией, четырех краудионом.

Такие комплексные дефекты оказываются еще более подвижными в кристаллической структуре металла, чем отдельные вакансии.Перемещение дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением движения дефекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов, то есть к самодиффузии примесных атомов замещения.

К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации. Размеры линейных дефектов малы в двух измерениях, а в третьем измерении их протяженность может быть соизмерима с длиной кристалла. Самый распространенный линейный дефект оказывающий непосредственное слияние на механические свойства это дислокация.

Она представляет собой особую конфигурацию расположения атомов в кристаллической решетки образовавшуюся в результате смещений кристаллографических плоскостей (рис. 4.5).

Еще одно определение «Дислокация – это линейный дефект кристаллического строения, представляющий собой наличие «лишней, дополнительной» атомной плоскости вдоль и вблизи которой нарушено правильное расположение атомных плоскостей, характерное для кристалла». Выделяют два основных типа дислокаций: краевые и винтовые, а дислокации смешанного типа являются комбинацией указанных двух типов.

Краевая дислокация образуется, если внутри кристалла появляется лишняя полуплоскость атомов, которая называется экстраплоскостью (рис. 4.6, а). Ее край создает линейный дефект решетки, который называется краевой дислокацией.

Винтовая дислокация представляет собой некоторую условную ось внутри кристалла, вокруг которой закручены атомные плоскости (рис. 4.6, б). Условно принято, что дислокация положительна, если экстраплоскость находится в верхней части кристалла и обозначается знаком ┴, и отрицательна, если она находится в нижней части ┬ (знак).

Дислокации одного и того же знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются. Под воздействием напряжения краевая дислокация может перемещаться по кристаллу (по плоскости сдвига), пока не достигнет границы зерна (блока). При этом образуется ступенька величиной в одно межатомное расстояние. Винтовая дислокация (см. рис. 5. б) в отличие от краевой параллельна вектору сдвига.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов при «захлопывании» вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций, которая зависит т способа обработки и состояния металла. Под плотностью r дислокаций понимают суммарную длину дислокаций ∑Lв см, приходящуюся на единицу объема V кристалла, выраженную в см3.

Таким образом, размерность плотности дислокаций см -2. Характерные величины для плотности дислокаций следующие: умассивного монокристалла высокой чистоты она мене 103 см2, у отожженного монокристалла 104– 106 см -2, у отожженных металлов 10 6 108 см -2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011 1012 см -2. Более высокая плотность дислокаций приводит к появлению микротрещин и разрушению металла. Общая длина дислокационных линий в 1 см3деформированного металла равна 1011 – 1012 см.

Плотность дислокаций в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. Если плотность меньше некоторого значения, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Таким образом, повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также, с другой стороны, повышением плотности, затрудняющей движение.

Дислокации обладают легкой подвижностью, они могут перемещаться (скользить) вдоль некоторой плоскости (плоскости скольжения), расположенной перпендикулярно экстраплоскости (рис. 4.7). Сущность процесса скольжения дислокации заключается в передачи функции экстраплоскости соседнему ряду атомов.

Также дислокации могут переползать, так если к краю полуплоскости АВ будут подходить атомы, то край полуплоскости сместиться вниз, а если к краю полуплоскости подойдут вакансии, то – вверх. Переполнение не требует действия внешней силы, как при скольжении, а осуществляется за счет диффузии атомов или вакансий. Сущность процесса переползания дислокаций заключается в перемещении края экстраплоскости в другую плоскость скольжения, параллельную исходной.

Существует также поперечное скольжение дислокаций, представляющее собой процесс перемещения края экстраплоскости в другую плоскость скольжения непараллельную исходной. Перемещение дислокации на одну трансляцию решетки элементарный акт пластической деформации. Легкое скольжение – это движение дислокаций в одной плоскости (на стадии упрочнения происходит движение дислокаций в нескольких плоскостях скольжения).

Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Поверхностные, или плоские (двумерные) дефекты имеют малые размеры только в одном измерении. Они образуются между двумя кристаллическими поверхностями когда они повернуты и смещены друг относительно друга, или при неправильной упаковке частиц в слое, или на грани другой фазы в виде сетки дислокаций. Кроме того, поверхностные дефекты возникают по границам зерен кристалла (рис. 4.8, а).

Границы раздела представляют собой переходную область шириной до нескольких десятков межатомных расстояний (рис. 4.8, б), в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. Поэтому на границе зерна наблюдается искаженное кристаллическое строение и более высокое энергетическое состояние.

Кроме того, по границам зерен в технических металлах скапливаются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Атомы, расположенные на границах зерен, обладают повышенной энергией вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия. Именно поэтому многие физико-химические процессы развиваются или осуществляются на границе зерен.

Границы между зернами называют больше угловыми (высокоугловыми) так как кристаллографические направления различно ориентированных областей кристаллической решетки в соседних зернах образуют углы разориентировок более 10°. По современным представлениям основанным на учении о дислокациях, они обладают определенным кристаллографическим строением, отличающимся от строения идеальной решетки, но носят на себе их следы.

Сочлинение субзерен друг с другом с сохранением правильной хотя искаженной кристаллической структуры происходит посредством дислокаций. С увеличением угла разориентации субзерен (15…30°) и уменьшением их величины плотность дислокаций в металле повышается. Такая структура называется блочной или мозаичной (рис. 4.9). Свойства металлов будут зависеть как от размеров блоков и зерен, так и от их взаимной ориентации.

Проблема образования дефектов и их влияния на свойства материалов одна из важнейших. Особенно актуален вопрос дефектообразования. Несмотря на огромное количество статей и работ, посвященных описанию дефектов и процессам их образования в кристаллах разной природы, аспектам физики твердых тел, связанных с дефектами кристаллической структуры, теория этого процесса до конца не разработана.

Многообразие дефектов кристаллической структуры и причин их образования говорит о невозможности единого процесса дефектообразования: дефекты образуются как в процессе роста кристаллов, так и при последующей их обработке или в результате внешних воздействий.

Основными параметрами материала, определяющими способность к деформации и ее механизм, являются энергия дефектов упаковки и тип кристалинской решетки. Образование (изменение плотности дислокаций в объеме деформируемого материала) и движение (рис. 4.10) дислокаций – это основной вид структурных несовершенств, возникающих при пластической деформации и влияющих на механические свойства.

При этом дислокации, накапливающиеся в объеме деформируемого металла, могут взаимодействовать между собой, вызывая формирование новых типов дефектов кристаллического строения, таких как: точечные (вакансии, межузельные атомы) либо поверхностные (субзеренные малоугловые границы или новые высоко-угловые – границы зерен).

С увеличением плотности дислокаций увеличивается концентрация точечных дефектов и возрастает вероятность образования частью из них – кластеров. Образование точечных дефектов практически не влияет на механические свойства, но существенно влияет на электросопротивление.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением (простое и поперечное) и двойникованием (рис. 4.11).

Основным механизмом пластической деформации считается скольжение атомов относительно друг друга в кристаллической решетке, которое может быть вызвано только сдвигом.

Скольжение атомов кристаллической решетки под действием сдвигающей силы будет совершаться прежде всего в кристаллографических плоскостях с наибольшей упаковкой атомов (рис.4. 12) где величина сопротивления сдвигу наименьшая. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наименьшая.

Скольжение осуществляется не путем одновременного перемещения всех атомов, расположенных в плоскости скольжения, а в определенной последовательности. Наиболее логичное и последовательное объяснение механизма пластической деформации дает теория дислокаций, согласно которой скольжение атомов относительно друг друга рассматривается как результат перемещения дислокаций в плоскости сдвига.

Характер деформационных и последеформационных структурных изменений, происходящих при пластической деформации, зависит от условий деформации и в первую очередь от ее степени, скорости и температуры. В практике обработки металлов давлением пластическую деформацию в зависимости от температурного интервала принято подразделять на:

В основе этого деления лежит понятие о самодиффузии, которая идет с пренебрежимо малой скоростью при температурах ниже 0,3…0,4 Тпл. Деформацию в этом случае называют холодной в противоположность горячей, которая проводится при температурах, превышающих 0,3…0,4 Тпл.

Что и позволило академику А. А. Бочвару установить зависимость абсолютной температуры рекристаллизации металла Трекр от абсолютной температуры плавления его Тпл, выражающейся следующей формулой:

Трекр = α Тпл,

где α коэффициент, зависящий от состава и структурного состояния сплава. Для технически чистых металлов α = 0,4.

Приведенная формула позволяет определить температуру начала первичной рекристаллизации металла. В соответствии с этим можно в первом приближении оценить температурный порог рекристаллизации (при отсутствии справочных данных). Например, для меди:

(1083 + 273) • 0,4 – 273 = 270 °С.

Температура рекристаллизации не является постоянной физической величиной. Для заданного металла или сплава она зависит от многих факторов: степени предварительной деформации, величины зерна до деформации, длительности нагрева и т.д. С увеличением времени отжига сильно деформированного металла температура начала его рекристаллизации снижается с затуханием, достигая приближенно постоянной величины через 1 2 ч.

Наинизшая температура начала рекристаллизации металла или сплава, соответствующая большим деформациям (более 60 70 %) и времени отжига 1 2 ч называется температурным порогом рекристаллизации (Т п.р.).

Кроме того, на температуру начала рекристаллизации влияет размер исходного (до деформации) зерна, состав сплава и некоторые другие факторы. Положение температурного порога рекристаллизации железа сильно зависит от его чистоты. После большой пластической деформации при комнатной температуре очень чистое карбонильное железо рекристаллизуется при 350 °С; железо, полученное вакуумным переплавом, при 450 °С, а техническое железо – при 500°С.

Влияние плотности дислокаций на сопротивление деформированию можно представить графически (рис. 4. 13). При низкой плотности дислокаций имеет место высокое сопротивление деформированию.

Отсутствие дислокаций и других дефектов кристаллической решетки приближает механические свойства материала к теоретическим свойствам идеального кристалла. Увеличение плотности дислокаций уменьшает сопротивление деформированию только до критического значения ρкр. После этого начинает преобладать взаимодействие однозначных дислокаций, что увеличивает сопротивление деформированию, т.е. начинает проявляться упрочнение металла (наклеп).

Формоизменение металла при обработке давлением происходит путем пластической деформации каждого зерна. При этом механизм пластической деформации поликристалла сложнее, чем монокристалла, так как в поликристаллическом материала зерна отличаются между собой по форме и размерам, обладают неодинаковыми физико-механическими свойствами, различно ориентированы по отношению к деформирующей нагрузке и т. п.

Внутрикристаллитная деформация осуществляется путем сдвига, скольжения, двойникования, как в монокристалле. Межкристаллитная деформация осуществляется путем поворота, перемещения одних зерен относительно других. Оба вида деформации протекают одновременно.

Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированы в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в тех зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения.

Соседние зерна разворачиваются и вовлекаются в процесс деформации. Так например, деформация начинается в зернах (№ 1, 2, 3 и 4представленных на рисунке 4. 14, а) плоскости скольжения которых составляют угол 45°С с направлением усилия.

Деформация приводит к изменению формы зерен: они приобретают вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла форму (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации). При значительных деформациях кристаллиты в поликристаллическом теле стремятся принять определенную кристаллографическую ориентировку относительно внешних деформирующих усилий.

Следует отметить, что кристаллографическую текстуру не следует смешивать с волокнистой структурой, наблюдаемой при металлографическом исследовании. Волокнистость, вытянутость зерен в определенном направлении, может и не сопровождаться текстурой, а быть связанной с определенным характером расположения частиц второй фазы и т.д.

Все это приводит к наклепу металла, под которым, в общем случае, понимают, совокупность структурных изменений и связанного с ними упрочнения металла (повышение твердости, пределов текучести и прочности), вызванное чаще всего холодной пластической деформацией (т. е. деформацией при температуре ниже температуры рекристаллизации) или же фазовыми превращениями (из-за разности удельных объемов фаз); в последнем случае наклеп называют фазовым. Также наклепом называют технологическую операцию создания упрочненного состояния в результате холодной пластической деформации.

С увеличением степени деформации прочностные характеристики (временное сопротивление σв, предел текучести σт, твердость НВ и др.) повышаются, а характеристики пластичности металла (относительное удлинение δ, относительное сужение ψ и др.) снижаются (рис. 4. 15).

Холодная деформация облегчает диффузионные процессы и способствует переходу сплавов в более стабильное состояние. Часть энергии, затраченная на наклеп металла, аккумулируется в виде повышенной потенциальной энергии атомов, смещенных из положения равновесия.

Последнее характеризует состояние металла, возникающее в результате наклепа, как неустойчивое и метастабильное при всех температурах. При нормальной комнатной температуре состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго. Переходу атомов в равновесное состояние способствует повышение температуры, что и реализуется при кристаллизационном отжиге.