До пластической деформации металл находился в равновесном состоянии 1 (рис. 3.11) с минимальным запасом свободной энергии. Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию, превращается в теплоту – металл нагревается. Система переходит в неравновесное состояние 2. Часть энергии, затрачиваемой при деформации на образование дефектов, накапливается в металле. Плотность дислокаций увеличивается от 106–108 до 1012 см-2. Система переходит в метастабильное состояние 3, устойчивое при комнатной температуре. При преодолении барьера DЕ для диффузии точечных дефектов и движения дислокаций, система возвращается в равновесное состояние.
Возврат. При низких температурах нагрева протекает первая стадия возврата – отдых.Форма зерен не изменяется. Происходит уменьшение концентрации собственных точечных дефектов (сток к границам, взаимоуничтожение) и дислокаций. Краевые дислокации одинакового знака отталкиваются, противоположного – притягиваются и уничтожаются (рис. 3.12). Из двух «лишних» полуплоскостей образуется одна плоскость. Уничтожение краевых дислокаций противоположного знака, расположенных в параллельных плоскостях скольжения, сопровождается образованием междоузельных атомов или вакансий. Винтовые дислокации противоположного знака, движущиеся в одной плоскости скольжения, взаимно уничтожаются. Остаются в металле хаотично расположенные дислокации одного знака. Отдых металла уменьшает на 10–15 % твердость и прочность.
При более высоких температурах нагрева протекает вторая стадия возврата – полигонизация.В результате скольжения и переползания дислокаций зерно делится на субзерна – полигоны (см. рис. 3.13), свободные от дислокаций. Дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки. Полигонизация редко развивается в меди и ее сплавах, но выражена в сплавах алюминия и железа. При деформировании сплавов сложного состава полигонизация приводит к возникновению стабильной ячеистой структуры. Дислокации скапливаются на границах ячеек. Ячеистая структура сохраняется при значительном нагреве, сплавы не рекристаллизуются. При нагреве деформированных металлов процессы отдыха происходят всегда.
Рекристаллизация. Первичная рекристаллизация – образование зародышей новых зерен и их последующий рост. Зародыши возникают на участках с повышенной плотностью дислокаций, где сосредоточены наибольшие искажения решетки – у границ деформированных зерен, блоков (рис. 3.14). Чем больше степень пластической деформации, тем больше зародышей. Зародыши растут путем диффузии атомов от деформированных участков. Для начала первичной рекристаллизации необходимы два условия.
1. Критическая степень деформации (для алюминия – 2 %, для железа и меди – 5 %). При меньшей степени деформации зарождения новых зерен не происходит. 2. Температурный порог рекристаллизации – наименьшая температура, обеспечивающая возможность зарождения зерен: Трек = a × Тпл.
Коэффициент a зависит от чистоты металла и степени деформации. Чем больше степень холодной деформации металла, тем ниже температура рекристаллизации. Для металлов технической чистоты a = 0,3–0,4, для твердых растворов a= 0,5–0,6. Для алюминия, меди и железа технической чистоты Трек равна: 100, 270 и 450 °С.
Первичная рекристаллизация снимает наклеп. Далее происходит рост зерен – собирательная рекристаллизация. Зерна укрупняются за счет слияния и объединения границ. Свободная энергия уменьшается вследствие уменьшения поверхностной энергии. Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост отдельных зерен по сравнению с другими: формируются зерна-гиганты и зерна-карлики.
Контрольные вопросы:
1. Что такое дислокация?
2. Что такое упругая деформация?
3. Что такое пластическая деформация?
4. Что такое монокристалл?
5. Что такое поликристалл?
6. Что такое наклеп?
7. Что такое вязкое разрушение?
8. Что такое хрупкое разрушение?
9. Как влияет температура на структуру деформированного металла?