Материал: 6_ТМО

Сл.1. Сл.2. Термомеханическая обработка

Пластическая деформация изменяет характер распределения и увеличивает плотность несовершенств кристаллического строения — дислокаций, вакансий, дефектов упаковки, мало- и высокоугловых границ. Так как дефекты кристаллической решетки сильно влияют на формирование структуры сплавов при фазовых превращениях, то пластическую деформацию перед фазовыми превращениями или в период их развития можно использовать для создания оптимальной структуры термически обработанного сплава.

Термомеханическая обработка (ТМО) – это термическая обработка, включающая пластическую деформацию, которая благодаря повышенной плотности дефектов влияет на формирование структуры при фазовых превращениях, происходящих во время термического воздействия.

Следовательно, к ТМО нельзя относить любое сочетание операций деформирования, нагрева и охлаждения. Например, если пластическая деформация проводится после всех операций термообработки, то мы имеем дело не с ТМО, а с обычной термообработкой и последующей обработкой давлением. Такая пластическая деформация, например холодная прокатка после старения, может создать наклеп, повысить прочностные свойства, но она не влияет на формирование структуры при фазовых превращениях, так как эти превращения прошли до деформации.

Если пластическая деформация была проведена до термообработки, но не оказала определяющего влияния на формирование окончательной структуры сплава при фазовых превращениях, то такое сочетание пластической деформации и последующей термообработки также нельзя относить к ТМО. Например, холодная прокатка с последующим нагревом под закалку, при котором проходит рекристаллизация, не являются составными частями ТМО, так как рекристаллизованная структура характеризуется низкой плотностью несовершенств кристаллического строения.

Процессы пластической деформации и термической обработки при ТМО могут быть совмещены в одной технологической операции, но могут проводиться и в разное время, например с разрывом в несколько суток. Важно лишь, чтобы при этом фазовые превращения проходили в условиях повышенной плотности дефектов решетки, созданных пластической деформацией.

В настоящее время в промышленности используют и опробуют разнообразные схемы ТМО, включающие горячую и (или) холодную пластическую деформацию, которая оказывает определяющее влияние на формирование структуры сплава при старении, при перлитных, бейнитных и мартенситных превращениях.

Прежде чем приступать к анализу изменений структуры и свойств металла при ТМО, необходимо рассмотреть, как формируется структура при горячей обработке давлением.

Сл.3. Изменение структуры металла при горячей обработке давлением

На протяжении десятилетий принято было считать, что в процессе горячей обработки давлением всегда протекает рекристаллизация. Именно в этом видели основное отличие горячей обработки от холодной. Начатые в 60-х годах подробные исследования механизма горячей пластической деформации выявили ошибочность указанного утверждения. Оказалось, что истинная структура, формирующаяся непосредственно в процессе горячей деформации, часто сильно искажена рекристаллизацией, проходящей во время охлаждения металла с температуры окончания горячей деформации. Очень быстрое охлаждение образца в момент прерывания горячей деформации помогает выявить структуру, сформировавшуюся к этому моменту. Так как сопротивление деформированию реагирует на структурные изменения, то ценную информацию о сущности процессов, происходящих при горячей деформации, можно также получить, анализируя форму кривых истинное напряжение S – истинная деформация е (рис. 179). Такие кривые обычно получают испытаниями на горячее кручение или сжатие.

Рис. 179. Зависимость истинного напряжения S от истинной деформации е (цифры на кривых – скорости деформации, с^-1): а – армко-железо, 700° С, б – сталь с 0,25%С, 1100°С

Истинная скорость деформации (е) при горячей обработке давлением находится в интервале 10^-2 –10³ с^-1. Она определяется видом обработки и применяемым оборудованием. Например, при прессовании эта скорость минимальна (порядка 10^-2 –10⁰ с^-1), а при ковке на молоте максимальна (порядка 10¹–10³ с^-1). Так как сопротивление деформированию сильно зависит от скорости деформации, то графики S–е строят для разных скоростей (см. рис. 179).

В каждом реальном цикле горячей обработки давлением температура металла изменяется сложным образом. Она может повышаться из-за адиабатического разогрева и понижаться из-за отдачи тепла более холодному инструменту и в окружающую среду. Для упрощения анализа лабораторные испытания с построением графиков S– е проводят в условиях, близких к изотермическим.

Сл.4.СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВО ВРЕМЯ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

На начальных этапах горячей деформации всегда происходит деформационное упрочнение, связанное с повышением плотности дислокаций. Восстановительными, разупрочняющими процессами, уменьшающими плотность дислокаций во время горячей деформации, могут быть только возврат или возврат и рекристаллизация.

Процессы разупрочнения во время горячей деформации аналогичны процессам разупрочнения при отжиге после холодной деформации: при возврате плотность дислокаций уменьшается в результате переползания и поперечного скольжения с выстраиванием дислокаций в стенки (полигонизация), а при рекристаллизации – в результате «выметания» дислокаций мигрирующими высокоугловыми границами. Восстановительные процессы, идущие во время деформации, имеют и свои особенности, рассмотренные ниже. В связи с этим были введены термины динамический возврат (в том числе динамическая полигонизация) и динамическая рекристаллизация в отличие от статического возврата и статической рекристаллизации, которые идут при отжиге после холодной деформации или по окончании горячей деформации (во время последеформационной выдержки и охлаждения).

Сл.5. Динамический возврат

Если динамический возврат – это единственный восстановительный процесс при горячей деформации, то кривые напряжение – деформация имеют наиболее простой вид: рост напряжения течения плавно затухает до достижения определенной величины, не зависящей далее от степени деформации (см. рис. 179, а). Если исходный металл был отожжен и имел рекристаллизованную структуру с плотностью дислокаций порядка 10⁶–10⁷ см^-2, то в период деформационного упрочнения плотность дислокаций плавно возрастает, достигая на стадии установившегося течения величины порядка 10¹⁰ см^-2.

На стадии деформационного упрочнения (горячего наклепа) вначале образуются дислокационные клубки, а затем – ячеистая структура. Постепенно формируется субзеренная структура, т. е. происходит динамическая полигонизация. На стадии установившегося течения средний размер субзерен, их разориентировка и средняя плотность дислокация внутри субзерен остаются постоянными.

Сл.6. С ростом степени деформации скорость генерирования дислокаций мало меняется, а скорость их аннигиляции из-за роста плотности дислокаций возрастает до тех пор, пока не сравняется со скоростью генерирования. Это и соответствует достижению стадии установившегося течения. С понижением температуры или повышением скорости деформации восстановительные процессы возврата в расчете на одну и ту же величину деформации успевают проходить в меньшей степени и поэтому стадия установившегося течения наступает позднее. Истинная деформация, соответствующая достижению стадии установившегося течения, находится в интервале от 0,1 до 0,5 в зависимости от температуры и скорости деформирования.

На установившейся стадии субзерна остаются равноосными вплоть до очень больших деформаций, в то время как зерна сильно вытягиваются в направлении течения. Сохранение равноосности субзерен можно объяснить процессом реполигонизации– многократной повторной полигонизации, состоящей в рассыпании субзеренных границ и новом их формировании в таких местах, что средний размер субзерен остается неизменным.

Чем выше температура и ниже скорость деформации, тем меньше напряжение течения на стадии установившегося течения, меньше общая плотность дислокаций и крупнее субзерна.

Сл.7. Динамический возврат может развиваться и при холодной деформации, однако здесь он не приводит к стадии установившегося течения: деформационное упрочнение идет непрерывно, а динамический возврат проявляется только в уменьшении коэффициента деформационного упрочнения с ростом деформации. Плотность дислокаций в стенках ячеек при холодной деформации возрастает, в то время как на установившейся стадии горячей деформации общая плотность дислокаций остается постоянной.

Указанные различия в поведении металла при горячей и холодной деформациях обусловлены различиями в механизмах динамического возврата. При холодной деформации единственный механизм динамического возврата – поперечное скольжение дислокаций, которое позволяет дислокациям обходить барьеры и тем самым уменьшает коэффициент деформационного упрочнения. При горячей деформации динамический возврат, кроме поперечного скольжения, включает еще и переползание дислокаций, в связи с чем становится возможной реполигонизация и поддерживается постоянной общая плотность дислокаций, т. е. достигается стадия установившегося течения.

Переход от холодной деформации к горячей с ростом температуры происходит постепенно. Условной температурой этого перехода можно считать гомологическую температуру 0,5 Т_пл, выше которой активно идет переползание дислокаций.

Сл.8. Поскольку поперечное скольжение и переползание дислокаций являются главными элементарными процессами динамического возврата при горячей деформации, а с увеличением энергии дефектов упаковки и соответственно с уменьшением ширины растянутых дислокаций протекание этих процессов облегчается, то динамический возврат металлов с более высокой энергией дефектов упаковки идет интенсивнее и приводит к образованию более совершенной субструктуры с более крупными субзернами, чем в металле с низкой энергией дефектов упаковки (при одинаковой гомологической температуре). Металлами с активно развивающимся динамическим возвратом при горячей деформации являются, например, Al, α-Fe, Mo, W, α-Zr, Beи Zn. Введение добавок, входящих в твердый раствор и уменьшающих энергию дефектов упаковки, затрудняет динамический возврат. Такое легирование может привести к росту напряжения течения при горячей деформации на порядок.

Во время горячей деформации могут протекать процессы, усложняющие вид кривых S – е. Во-первых, адиабатический разогрев деформируемого металла может вызвать плавное снижение напряжения течения после достижения стадии установившегося течения. Снижение этого напряжения может быть также вызвано коагуляцией выделений, которой способствует ускоренная диффузия растворенного элемента по дислокационным стенкам. Если при горячей деформации раствор распадается с образованием дисперсных выделений, то напряжение течения возрастает.

Сл.9. Динамическая рекристаллизация

На кривых напряжение – деформация динамическая рекристаллизация проявляется в падении напряжения течения. На стадии установившегося течения возможны два типа поведения металла (см. рис. 179, б). При более высоких скоростях деформации напряжение течения после спада остается неизменным, а при более низких скоростях напряжение течения осциллирует около некоторого среднего уровня, который тем ниже, чем меньше скорость деформации. С ростом степени деформации амплитуда колебаний напряжения постепенно уменьшается и кривая S – е сглаживается.

Исследование резко охлажденных образцов, деформацию которых прерывали на разных стадиях, позволило составить следующую картину структурных изменений. Вначале происходит деформационное упрочнение с параллельно идущим динамическим возвратом (участок подъема кривой истинных напряжений). Если динамический возврат слабо развит, то с повышением плотности дислокаций создаются условия для формирования центров динамической рекристаллизации. При малых скоростях деформации они возникают по механизму локального выгибания существующих высокоугловых границ (см. рис. 16), а при повышенных скоростях стенки ячеек аккумулируют все больше дислокаций и превращаются в высокоугловые границы зародыша динамической рекристаллизации.

Сл.10. Пока рекристаллизованные зерна с пониженной прочностью занимают небольшую часть объема металла, еще продолжается рост напряжения течения. С увеличением суммарного объема рекристаллизованных участков разупрочнение перекрывает деформационное упрочнение, и напряжение течения падает. Следовательно, критическая степень деформации, соответствующая началу динамической рекристаллизации, несколько меньше деформации, соответствующей пику истинного напряжения течения.

Динамическая рекристаллизация отличается от статической тем, что появившиеся рекристаллизованные зерна с низкой плотностью дислокаций во время своего роста постепенно наклепываются из-за продолжающейся деформации – в них повышается плотность дислокаций. Участки, рекристаллизовавшиеся в первую очередь, начинают наклепываться раньше и в них быстрее достигается критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения новых рекристаллизованных зерен, которые затем наклепываются, и т. д. Многократно чередующиеся циклы динамической рекристаллизации и наклепа рекристаллизованных зерен соответствуют установившейся стадии с неизменным средним размером зерна.

Наклеп рекристаллизованных зерен уменьшает разность в плотности дислокаций по обе стороны от мигрирующей границы, а так как эта разность является движущей силой миграции, то скорость роста рекристаллизованных зерен уменьшается. Чем выше температура и ниже скорость деформации, тем крупнее и совершеннее рекристаллизованные зерна.

Сл.11. При малой скорости деформации цикл рекристаллизации успевает закончиться раньше, чем в участках, рекристаллизованных в первую очередь, будет достигнута критическая плотность дислокаций и начнется новый цикл рекристаллизации. Поэтому при малой скорости деформации вначале наблюдается четкое чередование спадов (рекристаллизационное разупрочнение) и подъемов (деформационное упрочнение) напряжения течения. Так как эти процессы в разных участках макрообъема образца в силу разных, в том числе случайных причин перестают совпадать по фазе, то осцилляция напряжения течения уменьшается и кривая S–е сглаживается (см. рис. 179, б).

При больших скоростях деформации скорость увеличения плотности дислокаций больше скорости рекристаллизации, и до окончания первого цикла рекристаллизации достигается критическая плотность дислокаций, т. е. начинается второй цикл рекристаллизации. В результате такого перекрытия циклов рекристаллизации напряжение течения не осциллирует: вслед за достижением пикового напряжения оно падает до определенного уровня, промежуточного между сопротивлением деформированию рекристаллизованных и нерекристаллизованных участков.

Сл.12. Характерные особенности структуры металла на стадии динамической рекристаллизации следующие: а) неоднородность субструктуры по объему металла и внутри отдельных зерен, связанная с тем, что одни участки только что рекристаллизовались, а ранее рекристаллизованные участки подверглись наклепу и динамическому возврату; б) неровность, зубчатость границ зерен, вызванная выбрасыванием «языков» при зарождении новых зерен; в) появление колоний новых зерен преимущественно около границ исходных кристаллов; г) равноосность зерен (в отличие от вытянутых зерен на стадии динамического возврата).