Материаловедение и технологии конструкционных материалов

2.1. ПОНЯТИЕ О ДЕФОРМАЦИИ В МЕТАЛЛАХ
Характерной особенностью металлов и сплавов является способность непрерывно деформироваться вплоть до разрушения под воздействием внешних сил, приложенных к материалу. Процесс деформации складывается из упругой и пластической деформации и завершается разрушением.
Деформация
2

Основные механизмы пластической деформации
2.2. МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
3

4

Плоскости , направления и системы скольжения в ОЦК-решётки
В металлах с ОЦК решеткой направление плотной упаковки совпадает с направлением диагональной плоскости (110), а само скольжение – с направлением диагонали в этой плоскости [111].
{110}<111>
12 основных из
48 возможных систем скольжения
{110}<111>
ОЦК
Чем больше число систем возможного скольжения,
тем выше пластичность кристалла.
6 плоскостей семейства {110} и 2 направления семейства <111> образуют 12 систем скольжения.
Всего в ОЦК металлах 48 систем скольжения:
12 систем типа {110}<111>,
12 систем типа {112}<111>,
24 системы типа {321}<111> .
5

В металлах с ГЦК решеткой внутри элементарной ячейки имеется четыре различных октаэдрических плоскости семейства плоскостей {111} с наиболее плотной упаковкой атомов. В каждой из этих плоскостей имеются три направления плотной упаковки вдоль диагоналей граней <110>.
Четыре плотноупакованные плоскости типа (111) могут скользить в трёх направлениях типа [110], поэтому в ГЦК металлах 3*4=12 наиболее вероятных систем скольжения типа {111}<110>.
ГЦК
{111} <110>
12 систем скольжения
Плоскости , направления и системы скольжения в ГЦК-решётки
6

У металлов с ГПУ решеткой существуют базисные {0001}, призматические {10-10} и пирамидальные {10-11} системы скольжения.
1 плоскость {0001}
3 направления <1120>
3 системы скольжения
В основном скольжение в ГПУ кристаллах совершается в плоскостях, параллельных основанию шестигранной призмы основной ячейки типа (0001), в которой имеется три направления минимального расстояния между атомами типа [1120] .
.
ГЦК
Плоскости , направления и системы скольжения в ГПУ-решётки
7

Изменение структуры металлов при ПД
При высоких степенях деформации в деформированных полуфабрикатах возникает волокнистая структура с определенной кристаллографической ориентировкой - текстурой деформации. Она вызывает анизотропию свойств деформированного полуфабриката.
Малоуглеродистая сталь 45 Структура: (Ф+П), ×250
2.3. ПОВЕДЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА
ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
8

Структура до и после деформации
Микроструктура алюминиевого
сплава ДО деформации
Микроструктура алюминиевого
сплава ПОСЛЕ деформации
Деформация
Микроструктура титанового
сплава ВТ6 ДО деформации
Микроструктура титанового
сплава ВТ6 ПОСЛЕ деформации
Деформация
9

При пластической деформации происходит не только движение имеющихся дислокаций, но и образуется огромное количество новых дислокаций в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Механизм образования - источник Франка-Рида.
Изменение свойств металлов при пластической деформации
ε=0%, ρ≈106 см-2
ε=70%, ρ≈1012 см-2
Если на пути движения дислокаций встречается препятствие в виде другой дислокации или дефектов другого рода, то процесс движения дислокаций тормозится и необходимы более высокие внешние напряжения, чтобы продеформировать материал. Т.о. происходит деформационное упрочнение (наклеп, нагартовка, упрочнение). Оно проявляется в процессе деформации и сохраняется по окончании деформирования.
Наклеп - это упрочнение и снижение пластичности металла при деформации.
10

ИСТОЧНИК ФРАНКА-РИДА
Последовательность образования новой дислокации при действии источника Франка – Рида:
Под действием касательного напряжения закрепленная дислокация (1) выгибается, пока не примет форму полуокружности (2).
С этого момента изогнутая дислокация распространяется самопроизвольно в виде двух спиралей (4).
При встрече спиралей возникают расширяющаяся дислокационная петля и отрезок дислокации (5, 6).
Отрезок распрямляется, занимает исходное положение (7), и генератор дислокаций готов к повторению цикла.
Один источник Франка–Рида способен образовывать сотни новых дислокаций
Увеличение количества (плотности) дислокаций в структуре деформированного металлического материала в процессе пластической деформации ведет к повышению прочности.
Фотография источника Франка-Рида в сплаве Ni-Fe
11

2.4. ПОВЕДЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА ПРИ НАГРЕВЕ
В термодинамическом отношении холодно деформированные металлы и сплавы являются системой неустойчивой. При воздействии температуры в таком металле будут возникать процессы, ведущие к понижению свободной энергии, изменению структуры и свойств. Эти процессы подразделяют на явления возврата и рекристаллизации.
12

ПРОЦЕССЫ ВОЗВРАТА ПРИ НАГРЕВЕ ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА
13

r ⊥= 1010-11/cm2
Дислокации с противоположными знаками, лежащие в одной плоскости скольжения, при сближении уничтожают друг друга – происходит их аннигиляция.
Если такие дислокации лежат в разных плоскостях скольжения, для аннигиляции требуется переползание дислокаций.
ПОЛИГОНИЗАЦИЯ И СУБСТРУКТУРА
Оставшимся дислокациям одного знака энергетически выгодно выстроится друг под другом в дислокационные стенки - границы полигонов (субзерен) свободных от дислокаций. Угол разориентировки соседних субзерен менее 5° (малоугловые границы).
Субструктура в титановом сплаве ВТ6
r ⊥= 109-10/cm2
Изменения субструктуры можно наблюдать с помощью электронного микроскопа.
14

ПРОЦЕССЫ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА
Первичная
рекристаллизация
Собирательная
рекристаллизация
Вторичная
рекристаллизация
15

Движущей силой процесса первичной рекристаллизации является энергия, накопленная металлом в процессе пластической деформации.
Величина рекристаллизованного зерна зависит:
от степени деформации,
температуры нагрева
времени выдержки при этой температуре.
Новые рекристаллизованные зерна в первую очередь возникают в волокнистой структуре холоднодеформированного металла в местах с максимальной плотностью дислокаций: на межзеренных и на межфазных границах. В результате протекания процесса первичной рекристаллизации волокнистая структура деформированного металла заменяется на мелкозернистую равноосную - рекристаллизованную структуру.
ПЕРВИЧНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Первичная рекристаллизация (ПР) – это процесс образования и роста новых, недеформированных зерен, отделенных от волокнистой матрицы высокоугловыми границами.
16

Температурный порог рекристаллизации – минимальная температура начала первичной рекристаллизации, протекающей в структуре холоднодеформированных металлов со степенями деформации порядка 70 %.
Температурный порог рекристаллизации
Зависимость размера зерна рекристаллизованного металла от степени деформации:
D0 – размер исходного зерна;
εкр – критическая степень деформации (1-15%);
ε< εкр – докритическая степень деформации;
ε> εкр – закритическая степень деформаци.
Чем выше степень предварительной холодной пластической деформации, тем ниже температура начала первичной рекристаллизации и мельче рекристаллизованное зерно.
Температура начала рекристаллизации металла – это температура, при которой в структуре деформированного металла появляются первые рекристаллизованные зерна.
17

Критическая степень деформации – это минимальная степень деформации, при которой накапливается достаточное количество избыточной свободной энергии, необходимой для протекания процессов рекристаллизации при нагреве холоднодеформированного полуфабриката. При критических степенях деформации после отжига в структуре наблюдается максимальный размер зерна.
При εкр плотность дислокаций еще не так велика и неодинакова в соседних зернах. Поэтому происходит слияние нескольких мелких зерен в одно большое (коалесценция) за счет аннигиляции дислокаций разных знаков и «исчезновения» таким путем границ между зернами.
При большей степени деформации этот механизм постепенно сменяется нормальным механизмом первичной рекристаллизации.
Зависимость размера зерна рекристаллизованного металла
от степени деформации и температуры
18

СОБИРАТЕЛЬНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Повышение температуры нагрева и времени выдержки вызывает самопроизвольный рост рекристаллизованного зерна – в структуре происходят процессы собирательной либо вторичной рекристаллизации.
Это самопроизвольные процессы, определяемые стремлением к уменьшению свободной энергии системы, за счет уменьшения поверхностной энергии границ зерен, которая понижается с увеличением размера зерен, т.к. уменьшается протяженность границ.
Собирательная рекристаллизация (СР) – это процесс нормального одновременного роста рекристаллизованных зёрен
19

ВТОРИЧНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Вторичная рекристаллизация (ВР) характеризуется тем, что нормальный рост рекристализованных зерен внезапно прерывается очень быстрым ростом нескольких зерен до размера ~см. Остальные рекристаллизованные зерна остаются очень мелкими и затем постепенно поглощаются большими зернами.
20

При нагреве пластически деформированного металла наряду с изменением его структуры происходит изменение свойств.
Изменение свойств металла при рекристаллизации
При температурах возврата (отдыха и полигонизации):
наблюдается некоторое разупрочнение;
характеристики пластичности несколько повышаются
Видимых изменений в структуре нет
При температурах собирательной и вторичной рекристаллизации (дальнейший нагрев или увеличении времени выдержки):
пластичность плавно снижается,
зёрна укрупняются
21

2.5. РАЗДЕЛЕНИЕ НА ХОЛОДНУЮ И ГОРЯЧУЮ
ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ МЕТАЛЛОВ
При нагреве металла выше tрекр увеличивается способность к ПД и уменьшается сопротивление деформации ⇒
снижается трудоёмкость и энергоёмкость обработки.
Нагрев до высоких температур приводит к наличию окалины на поверхности детали ⇒
Хуже качество поверхности,
меньше точность геометрических размеров, возникает необходимость в механической обработке
+
-
22

Примеры холодной и горячей обработке давлением
Для большинства металлов обработка давлением при комнатной температуре является холодной.
Границей между горячей и холодной обработкой давлением
является температура рекристаллизации материала
Трекр=0,4⋅Тпл
23