формация кристалла скольжением складывается из множества микроскачков отдельных дислокаций по различным плоскостям скольжения и образования новых дислокаций.
Двойникование также является результатом движения дислокаций и представляет собой поворот части монокристалла относительно плоскости двойникования в зеркально обратное положение. После двойникования части кристалла оказываются симметрично расположенными относительно плоскости двойникования.
Пластическая деформация поликристаллических тел осложнена их многозернистым строением. Она начинается в отдельных зернах и складывается из пластического скольжения внутри зерен (внутрикристаллитных сдвигов), поворотов, вытягивания и дробления зерен на более мелкие объемы (блоки), и ограниченных взаимных смещений зерен (межкристаллитных сдвигов). Последние при значительных степенях деформации нежелательны, так как могут вызывать разрушение металла.
Пластическое деформирование металла происходит на основе определенных закономерностей. Объем пластически деформируемой металлической заготовки остается неизменным. Имея возможность перемещаться в разных направлениях, металл течет главным образом в сторону наименьшего сопротивления. Усилия и работа, затрачиваемые на пластическую деформацию двух геометрически подобных тел различных размеров при подобных условиях процесса деформации, пропорциональны соответственно площадям поперечных сечений (нормальных к деформирующему усилию) и объемам этих тел.
Пластическое течение металла начинается в то время, когда касательные напряжения (напряжения, действующие в плоскости сдвига), действующие в наиболее благоприятно расположенной плоскости скольжения, достигают определенной величины, зависящей от свойств металла и условии деформации. Величина пластической деформации для горячего металла может быть весьма значительной, а для хо-
40
лодного возможна лишь в определенных небольших пределах.
Наклеп и рекристаллизация металла. Холодная пластическая деформация вызывает образование первичной (строчечной) волокнистой микроструктуры металла с сохранением формы вытянутых в направлении деформации зерен металла и физическое упрочнение, или наклеп, металла за счет образования новых дислокаций, дробления зерен и искривления плоскостей скольжения.
Наклеп вызывает увеличение твердости металла, пределов прочности и текучести и резкое снижение его пластичности.
Повышение сопротивления металла деформированию при наклепе и падение его пластических свойств объясняются резким увеличением плотности дислокаций и постепенным исчерпанием возможностей их перемещений внутри кристаллов. Наклеп при холодной обработке давлением не позволяет осуществлять значительные деформации в связи с опасностью разрушения металла.
Наклеп металла устраняют термообработкой - рекристаллизационным отжигом, при котором снижается плотность дислокаций и металл восстанавливает свою пластичность и остальные начальные свойства.
При небольших температурах нагрева холоднодеформированного металла (выше 0,3Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления металла) происходит снятие остаточных напряжений, искажений кристаллической решетки и взаимное уничтожение линейных дислокаций различных знаков за счет возросшей подвижности атомов, однако волокнистая микроструктура металла остается неизменной.
Это явление называется возвратом, так как оно вызывает частичный возврат пластических свойств и снижение хрупкости металла.
При более высоких температурах нагрева (выше 0,4 Тпл) начинается процесс рекристаллизации металла, при котором происходит полное перерождение волокнистой микро-
41
структуры, окончательное восстановление искаженной кристаллической решетки и физико-механических свойств металла.
На границах старых, вытянутых зерен возникают новые центры кристаллизации в виде мельчайших кристаллов, постепенно растущих с повышением температуры равномерно во всех направлениях и создающих обычную, равноосную структуру металла с пониженной плотностью дислокаций.
Процесс рекристаллизации протекает не мгновенно, а с некоторой скоростью, зависящей от температуры нагрева металла и степени имевшейся деформации. Чем выше температура и степень предварительной деформации, тем выше и скорость рекристаллизации.
Абсолютной температурой рекристаллизации Тр называют ту низшую температуру нагрева металла, при которой в доступное для измерения время может происходить рекристаллизация. Для чистых металлов Тр>=0,4 Тпл. Температуры рекристаллизации некоторых металлов составляют: вольфрама 1210° С, железа 450° С, меди 270° С, алюминия и магния 150° С, свинца и цинка 0° С.
Таким образом, обработка металла давлением при повышенных температурах сопровождается одновременным действием противоположно направленных процессов упрочнения и разупрочнения (возврата и рекристаллизации). В зависимости от того, какие из этих процессов являются преобладающими, обработка давлением подразделяется на холод-
ную, неполную холодную, неполную горячую и горячую.
Холодная деформация характеризуется интенсивным наклепом металла, строчечной микроструктурой, полным отсутствием возврата и рекристаллизации.
При неполной холодной деформации отсутствует рекристаллизация, но протекает процесс возврата. Металл имеет полосчатую микроструктуру без следов рекристаллизаций.
При неполной горячей деформации рекристаллизация протекает не полностью.
42
Металл получает два типа микроструктур: рекристаллизованную (с равноосными зернами) и нерекристаллизованную (с вытянутыми зернами). Наличие неоднородной структуры приводит к уменьшению пластичности металла и появлению значительных остаточных напряжений, которые могут вызвать даже разрушение металла под действием внешних нагрузок.
Такая деформация обычно имеет место при температурах нагрева металла, мало превышающих температуру начала его рекристаллизации, и при повышении скорости деформации, когда разупрочнение не успевает пройти полностью. Таким образом, неполная горячая деформация обусловливает низкое качество продукции, и ее следует избегать, особенно для некоторых алюминиевых и магниевых сплавов, имеющих малую скорость рекристаллизации и потому деформируемых с небольшими скоростями, например прессованием на гидравлических прессах.
Горячая деформация характеризуется полным разупрочнением металла в результате рекристаллизации по всему объему деформируемой заготовки. Она осуществляется при температурах нагрева, превышающих температуру начала рекристаллизации в тем большей степени, чем выше скорость деформации. Металл имеет равноосную микроструктуру, без всяких следов упрочнения, но волокнистое его строение сохраняется.
Учитывая сказанное выше о скоростях рекристаллизации и деформации, горячую обработку давлением практически осуществляют при температурах не ниже 0,6 Тпл, чтобы обеспечить быстрое разупрочнение металла и его полную рекристаллизацию даже в промежутке между двумя последовательными ударами молота.
Влияние горячей деформации на структуру и свойства металла. Структура слитка характеризуется наличием крупных дендритных кристаллов первичной кристаллизации, по границам которых расположены неметаллические примеси
43
серы, фосфора, окислов и карбидов в виде пленок или шариков.
Деформирование литой структуры прокаткой, ковкой и прессованием приводит к дроблению кристаллов и вытягиванию их в направлении наибольшей деформации (вытяжки). Одновременно с этим вытягиваются и дробятся межкристаллитные прослойки (оболочки зерен) с неметаллическими включениями, принимая форму прядей при больших степенях деформации. Иначе говоря, в результате горячей деформации в металле возникает видимость волокнистого строения.
В промежутки времени между обжатиями металла бойками молотка или валками прокатного стана происходит рекристаллизация металла с образованием мелких равноосных зерен, однако эти новые зерна остаются в вытянутых оболочках первичных кристаллитов. Таким образом, несмотря на полное перерождение самих зерен их первоначальная вытянутость (волокнистость) остается зафиксированной.
Образование волокнистой макроструктуры приводит к анизотропии механических свойств металла, которая проявляется тем резче, чем больше степень деформации.
За показатель степени деформации при вытяжке слитка ковкой или прокаткой принимают отношение исходной площади поперечного сечения слитка Fн конечному (или текущему) ее значению Fк после вытяжки. Эту величину у = Fн/Fк называют уковом.
На основе опытных данных, полученных при ковке крупных слитков, установлено, что уков оказывает значительное влияние на относительное удлинение δ и ударную вязкость αн, не изменяя существенно предел прочности металла σв. С увеличением степени деформации до четырех-, пятикратного укова показатели δ и αн интенсивно увеличиваются в продольном направлении и убывают в поперечном. Дальнейшее увеличение укова до 10 вызывает соответственно незначительное возрастание и уменьшение этих показателей.
44