Основы металлографии и пластической деформации стали

Г.И.Бельченко, С.И.Губенко

Вища шк., 1989 г.

Напряженно-деформированное состояние металлов.

Внешние силы, действующие на металл, могут быть растягивающими, сжимающими, изгибающими, скручивающими. Они вызывают в металле соответствующее напряженнее состояние. Например, одноосное растяжение или сжатие приводит к возникновению одноосного напряженного состояния. При более сложных схемах деформации металл находится в условиях двухосного или трехосного (объемного) напряженного состояния.

Напряжением называют приложенную к телу силу, отнесенную к единице площади его сечения. Общее напряжение состоит из нормального и касательного напряжений, действующих существенно перпендикулярно к сечению и в плоскости сечения образца. Напряженнее состояние в любой точке образца, т. е. значения нормальных и касательных напряжений, определяют с помощью тензора напряжений. Напряжения, возникающие в металле, соответственно влияют на процессы деформации и разрушения. Металлы и сплавы в случае приложения внешней нагрузки находятся в упругом или вязкопластическсм состояниях, которые характеризуются соответствующими значениями напряжений и деформаций.

Деформация — это изменение размеров и фермы тела под действием приложенных сил. Она бывает упругой и пластической. Упругой является деформация, влияние которой па форму, размеры, структуру и свойства сплава полностью устраняется после прекращения действия внешних напряжений. При возрастании приложенных напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой, и после снятия внешней нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Пластической считают такую деформацию, при которой форма и размеры тела изменяются необратимо.

Характер деформированного состояния металла определяется его напряженным состоянием и может быть одноосным, двухосным и объемным. Деформированное состояние в любой точке образца списывают с помощью тензора деформаций.

Важнейшим свойством металлов и сплавов является их пластичность, позволяющая получать изделия, имеющие различные формы и размеры. Пластичность рассматривают как свойство металла или сплава сохранять часть деформации после снятия вызвавших ее нагрузок. На Пластичность материала влияют различные факторы тип кристаллической структуры, характер межатомных связей, химический состав, структурное состояние, температура и скорость деформации.

Изменение внешних факторов может привести к изменению деформируемости тела. Под деформируемостью понимают способность тела (слитка, заготовки) необратимо изменять свою ферму без нарушения сплошности в случае деформирования его в данных условиях. Деформируемость зависит от пластичности материала, размеров тела, его конфигурации, формы деформирующего инструмента, способа деформации.

Одной из важных особенностей металлов и сплавов является их сравнительно высокая прочность, т. е. способность сопротивляться деформации при воздействии внешних сил. Если возможность сопротивления тепа деформации исчерпана, появляются трещины, которые нарушают его сплошность и непрерывность, т. е. вызывают разрушение.

Разрушением называется разделение тела на части под действием напряжений. Оно бывает вязким, хрупким и квазивязким (квазихрупким). Вязкое разрушение сопровождается значительной пластической деформацией, при хрупком разрушении пластическая деформация мала. Квазивязкое (квазихрупкое) разрушение является переходным между вязким и хрупким разрушением.

Механическое поведение металлов и сплавов определяется способностью их сопротивляться упругой и пластической деформации и разрушению.

Механические испытания. Закономерности, связывающие напряжения, которые возникают в металле под воздействием приложенной нагрузки, с соответствующими деформациями, находят при механических испытаниях.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла или сплава под действием приложенных внешних механических сил. В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств.

Состояние упрочненного или наклепанного деформацией металла термодинамически неустойчиво при всех температурах. Переход металла в более стабильное состояние с меньшей свободной энергией является термически активированным процессом. Дефекты решетки, внесенные деформацией, при нагреве металла устраняются в результате элементарных процессов, совершающихся в разных температурных интервалах с неодинаковыми скоростью и энергией активации. К этим процессам следует отнести: диффузию точечных дефектов, их аннигиляцию и сток в дислокации и границы зерен; перераспределение и аннигиляцию дислокаций путем простого и поперечного скольжения и переползания; формирование малоугловых границ; перемещение (миграцию) субзеренных малоугловых и межзеренных высокоугловых границ с поглощением дефектов; рост зерен путем миграции границ для снижения зернограиичной поверхностной энергии. В зависимости от температуры, скорости и продолжительности нагрева, а также условий и степени предварительной деформации эти процессы совершаются последовательно или накладываются один на другой.

Различают следующие процессы разупрочнения наклепанных металлов и сплавов при нагреве: возврат и рекристаллизацию. Если -они совершаются после деформации (холодной или горячей) при осуществлении специального нагрева, то называются статическими, если же протекают непосредственно в процессе деформации (горячей) — динамическими.

Возвратом называют совокупность процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристаллах до начала рекристаллизации. Он включает две стадии: уменьшения концентрации точечных дефектов и перераспределения дислокаций без возникновения новых границ — отдых и перераспределения дислокаций с образованием малоугловых границ — полигонизацшо.

Основные структурные изменения в де(1юрмированном металле на стадии отдыха заключаются в уменьшении количества точечных дефектов — вакансий и межузельных атомов в результате их взаимного уничтожения при встрече (аннигиляции) и стока к дислокациям, границам зерен и внешней поверхности. Механизмы миграции точечных дефектов и взаимодействия их с другими дефектами подробно рассмотрены в гл. 3 разд. 1. Примесные атомы затрудняют диффузию вакансий, что замедляет отдых. Нагрев металла активизирует переползание дислокаций. При встрече дислокаций разных знаков они аннигилируют и плотность их в металле несколько уменьшается. Некоторые дислокации продвигаются на небольшие расстояния и изгибаются. На стадии отдыха новые субграницы или границы не образуются. Этот процесс не имеет инкубационного периода, т. е. перестройка дефектов решетки начинается сразу же во время нагрева металла.

Изменение количества дефектов на стадии отдыха подтверждается выделением энергии в виде тепла, увеличением плотности металла, дислокационных групп, а на стадии роста субзерен — выгибание и миграция малоугловых дислокационных границ (рис. 2.21, б). В ходе развития полигонизации возможно «рассыпание» мало- и среднеугловых границ путем ухода из них дислокаций (рис. 2.21, в) в результате чего субзерна сливаются.

Описанный механизм полигонизации наблюдается при нагреве слабо деформированных металлов, в которых нет ячеистой структуры. Главная его особенность состоит в преимущественном образовании малоподвижных устойчивых субграниц с малыми углами разориенти-ровки. Такая полигонизация стабилизирует структуру, поэтому ее называют стабилизирующей.

В сильно деформированных металлах в ходе деформации образуется ячеистая субструктура. плотность дислокаций внутри каждой Ячейки сравнительно низкая, тогда как плотность дислокаций на границах, разделяющих ячейки, велика. При нагреве границы ячеек становятся уже, затем Ячейки начинают расти и плотность дислокаций на субгра-пицах снижается. Итак, в сильно деформированных металлах происходит полигонизация, в результате которой стенки ячеек .становятся более тонкими и четкими, а размер ячеек увеличивается (рис. 2.21, г). плотность дислокаций в стенках ячеек уменьшается за счет взаимодействия и аннигиляции дислокаций путем простого и поперечного скольжения и переползания.

При рассматриваемом механизме полигонизации Ячейки деформированной структуры превращаются в субзерна большой разориентировки с подвижными субграницами большой кривизны, способными к миграции. Образовавшиеся подвижные субграницы легко мигрируют под влиянием поверхностного натяжения и в результате разности объемной энергии смежных субзерен (полигонов). В процессе миграции субграницы присоединяют к себе новые дислокации, встречающиеся на их пути, что приводит к увеличению угла разориентировки между субзернами. В этом случае полигонизацию, которая подготавливает структуру к дальнейшему развитию разупрочнения (рекристаллизации), называют предрекристаллизационной.

Если в процессе миграции субграниц субзерна вырастают до размеров в несколько микрометров без заметного изменения угла разориентировки, проходит так называемая рекристаллизация на месте «in sitti». Последними исследованиями установлено, что рекристаллизация in situ наблюдается в том случае, когда деформации не приводит к избытку дислокаций одного знака, что осуществимо при легком скольжении в условиях малых деформаций.

Полигонизация проходит тем интенсивнее, чем выше температура. скорость полигонизации сильно замедляют примеси, образующие па дислокациях «облака» Коттрелла.

На стадии полигонизации происходят дальнейшее увеличение плотности металла уменьшение его твердости и электросопротивления, как и на стадии отдыха. Кроме того, наблюдается некоторое восстановление механических свойств металла, например понижение предела текучести. Однако до начала рекристаллизации плотность дислокаций в металле еще достаточно высока и поэтому механические свойства изменяются незначительно.