3.5.1.         Структурные изменения при пластической деформации и нагреве металлов

Обработку металлов давлением при температуре менее одной четвертой от температуры плавления называют холодной. Пластическая деформация в этом случае затруднена, и металлы испытывают значительное деформационное упрочнение (наклеп), которое проявляется в повышении предела пропорциональности, предела упругости, предела прочности на растяжение и сжатие. Одновременно уменьшаются относительное удлинение при разрыве и ударная вязкость.

При значительной холодной деформации зерна в поликристаллическом сплаве приобретают определенные преимущественные ориентировки плоскостей и направлений скольжения, т.е. образуется текстура деформации. Практическая важность текстур определяется тем, что они вызывают анизотропию свойств. В большинстве случаев анизотропия прочности нежелательна, в других – ее стремятся искусственно развить наведением заданной текстуры.

При нагреве до достаточно высоких температур большинство дефектов кристаллического строения, наведенных пластической деформацией, исчезает, и металл разупрочняется. Разупрочнение при нагреве (отжиге) принято подразделять на процессы отдыха (возврата), полигонизации и рекристаллизации.

Возврат связан с  диффузией точечных дефектов кристаллического строения, которая ускоряется деформацией и нагревом. На стадии возврата не наблюдается изменений структуры, которые можно было бы обнаружить с помощью оптического микроскопа, зерна сохраняют вытянутую форму, однако  предел текучести может уменьшиться на 10…30 %. Свойства металла, обусловленные перемещением дислокаций, при возврате не изменяются.

Полигонизация заключается в следующем. При достаточно высокой температуре дислокации разных знаков в одной плоскости скольжения сближаются и аннигилируют. Усиливается переползание дислокаций в  параллельные плоскости скольжения, где они аннигилируют или перемещаются к субграницам, образуя стенки дислокаций. В результате зерна металла оказываются состоящими из субзерен (полигонов) с относительно совершенной решеткой, разделенных малоугловыми границами из стенок дислокаций.

Рекристаллизация представляет процесс разупрочнения металла, сопровождающийся образованием зародышей и ростом новых зерен в результате диффузионного перемещения межзеренных границ.


Для чистых металлов процессы рекристаллизации начинают происходить при температурах равных 30…40 % от температуры плавления, выраженной в Кельвинах. Для легированных твердых растворов это соотношение доходит до 60 %, а для многофазных сплавов и композиционных материалов – до 80 % и более.

Нагрев металла до температуры, при которой идет рекристаллизация, сопровождается понижением его прочности и повышением способности деформироваться без образования трещин. Эти изменения позволяют вести обработку давлением при меньших усилиях и расходе энергии, обрабатывать крупные заготовки и применять большие деформации.

Горячая обработка давлением позволяет преобразовывать исходную дендритную  структуру литой заготовки в структуру с относительно мелкими равноосными зернами. Если по границам зерен слитка располагались нерастворимые примеси, неметаллические включения, то при горячей деформации они вытягиваются вместе с зернами, образуя так называемую волокнистую макроструктуру горячедеформированного металла. В ходе го

рячей деформации может происходить заваривание пустот и трещин внутри слитка. Считается, что макроструктура полностью преобразуется после 8…10-кратной вытяжки.

Из-за волокнистого строения металла физические и механические свойства материала в направлении вдоль и поперек направления вытяжки принимают различные значения. Наибольшая анизотропия проявляется по отношению к ударной вязкости, удлинению и сужению шейки после разрыва. В меньшей степени анизотропия затрагивает показатели прочности, такие как предел текучести и предел прочности при растяжении. Целесообразно горячую обработку давлением проводить таким образом, чтобы ориентировать волокна макроструктуры в направлении небольших нормальных напряжений, возникающих в детали при ее эксплуатации.