Упрочнение и разупрочнение материалов, наклеп и рекристаллизация.

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом дефор­мации, то есть материал в этих условиях упрочняется.

Упрочнение — изменение структуры и свойств металлического мате­риала. вызванное пластической деформацией.

Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций ρ. По ме­ре увеличения плотности дислокаций ρ сопротивление пластическому де­формированию уменьшается (рис. 1).

Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций ρ_кр, когда начинается взаимодействие силовых по­лей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.

Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформи­рованию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислока­ций до очень малого значения.

Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σ_в, σ_0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, KCU) — уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристалличе­ской структуры, которые затрудняют движение дислокаций, а следователь­но, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздейст­вия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструй­ная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обра­ботка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структу­ры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при после­дующей эксплуатации изделий.

Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плот­ности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к уве­личению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.

Второй способ — создание металлов и сплавов с бездефектной структу­рой, — является более прогрессивным. В настоящее время получают кри­сталлы небольших размеров (длиной 2-10 мм и толщиной 0,5-2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.

При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в на­правлении деформации, образуется так называемая текстура (textura — ткань, связь, строение) — анизотропная поликристаллическая пли аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориен­тировкой. Текстуры могут: быть осевыми — с предпочтительной ориенти­ровкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими — с ориентировкой относительно особой плоскости и полными — при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 2). Текстура создает анизотропию свойств.

Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения ме­талла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве на­клепанного металла в нем протекают следующие процессы:

• частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между со­бой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении послед­них при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата):
• уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противопо­ложных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свобод­ных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации):
• зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристалли­зации).

Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей но­вых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами (первичная рекристаллизация), в результа­те чего полностью снимается наклеп, созданный при пластическом дефор­мировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с мини­мальным количеством дефектов кристаллического строения. Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 10¹⁰-10¹² см^-2 до 10⁶-10⁸ см^-2.

При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повы­шением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным — процесс вторич­ной (собирательной) рекристаллизации.

Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекри­сталлизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного ме­талла и восстановление его пластичности называют температурным поро­гом рекристаллизации Т_ПР.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зави­сит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, вели­чины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллиза­ции снижается с повышением степени деформации, увеличении длитель­ности нагрева или уменьшении величины зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации Т_ПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4Т_пл, для чистых металлов снижается до (0,1-0,2)Т_ПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5-0,6)Т_ПЛ.