Для определения всех параметров при проектировании техно­логической оснастки и технологического процесса штамповки, крупногабаритных, толстолистовых изделий чрезвычайно важно учитывать влияние температуры и скорости деформации.

В процессе деформации металла при повышенных температурах происходят одновременно два противоположных явления - про­цесс упрочнения и процесс разупрочнения. Последний происходит вследствие возврата и рекристаллизации.

Для более четкого представления о действии того или иного разупрочняющего явления необходимо весь температурный ин­тервал разделить на три зоны соответственных температур (отно­шение рассматриваемой температуры к температуре плавления в °К данного металла или сплава): полного упрочнения от 0 до 0,25; частичного разупрочнения от 0,25 до 0,7; полного разу­прочнения от 0,7 до 1,0.

При холодной деформации зерна металла получают разную по величине пластическую деформацию вследствие различного направления плоскостей скольжения в зернах, различия в их форме и свойствах, поэтому после снятия внешних сил при этой деформации возникают остаточные напряжения.

При нагревании металла возникающие при деформировании упругие деформации зерен выравниваются, в результате чего обес­печивается сн-ижение остаточных напряжений после снятия внеш­них сил. Такое разупрочнение называется возвратом или отдыхом, который наблюдается для чистых металлов при температурах, равных 0,25 - 0,30 Тпл °К, а для сплавов во второй зоне при 0,30 - 0,35 Тпл °К.

В условиях, когда действует явление возврата, несколько уменьшается сопротивление деформации и увеличивается пластич­ность; деформирование сопровождается упрочнением, но несколько менее интенсивным, чем при холодном деформировании; нет влия­ния на размеры и форму зерен, получивших изменения во время деформации; возврат не препятствует процессу образования тек­стуры; явление возврата происходит и при нагреве холоднодеформированного металла.

Явление возврата протекает во времени, поэтому эффект его разупрочняющего действия зависит от соотношения скорости де­формирования и температуры, при которой происходит данный процесс. При yувеличении скорости информирования снижается эффект возврата.

При температурах возврата может появиться старение, сни­жающее пластичность металла. Это явление возможно объяс­няется тем, что в результате выпадения мелкодисперсных частиц примесей по плоскостям скольжения затрудняется пластиче­ская деформация, приводящая к повышению сопротивления

Деформаций и, как следствие, к повышений механических свойств.

Дальнейшее разупрочнение металла происходит при темпера­туре выше температуры возврата, т. е. происходит при темпера­туре более 0,4 Тпл °К. Это явление называется рекристаллиза­цией.

Сущность рекристаллизации заключается в том, что увеличение температуры деформируемого металла поднимает энергети­ческий потенциал атомов, вследствие чего атомы перегруппиро­вываются, меняются местами, появляются новые зародыши зерен.

Рис. 1. Влияние температурно-скоростного режима на степень деформации никеля:

А - зона деформации с полным разупрочнением; В - то же с неполным разупрочнением; С - то же с упрочнением

Эти зародыши возникают в деформируемом металле в ячейках с относительно правильной, не искаженной в процессе деформиро­вания решеткой. К ним присоединяются атомы с соответствую­щими параметрами решетки, рядом стоящие; с течением времени эти атомы, увеличиваясь в размерах, поглощают атомы искажен­ных деформацией зерен.

В результате деформации металла при температуре рекристал­лизации происходят два противоположных процесса: деформация зерен (упрочнение) и их рекристаллизация. Этот процесс, как и при возврате, но еще в большей степени, зависит от температурно-скоростного режима деформации.

Приведем график влияния температурно-скоростного режима (рис. 1) на степень деформации никеля в %.

Таким образом, чем выше температура и степень деформации, тем выше скорость рекристаллизации, и может быть такое соот­ношение между этими факторами, при котором все зерна деформи­руемого металла получают новое строение и равноосную форму.

Установлено, что температура рекристаллизации для сплавов значительно выше, чем его составляющих, из-за того, что для пере­стройки решетки из разнородных атомов требуется более высокий энергетический потенциал.

В результате рекристаллизации происходят и химические процессы - выравнивание химической неоднородности зерен в результате диффузии атомов внутри кристаллитов и по границам зерен.

Рост зерна в основном также зависит от указанных выше фак­торов. Взаимосвязь их обычно показывается на объемных диа­граммах. На рис. 2 показана диаграмма зависимости роста зерна от температуры и степени деформации, характерная для большинства металлов и сплавов. Количественные выражения на ней ориентировочные и для каждого исследования, основанного на эксперименте, будут иметь свои значения. Характер этой диаграммы может несколько измениться при высоких степенях деформации, т. е. появляется второй максимум роста зерна, изображенный пунктирными линиями и обозначенный буквой А.

Рис. 2. Диаграмма зависимости роста зерна от темпе­ратуры и степени деформации

Рост зерна при высоких степенях деформации происходит в результате образования текстуры и размывания межкристаллитного вещества, что способствует более интенсивному слиянию соседних зерен в более крупные зерна и вместе с тем росту их.

Первый максимум роста зерна происходит при наличии кри­тических степеней деформации. Зона действия критических сте­пеней деформации обычно находится в начале деформации и за­нимает на диаграмме примерно 5-15% от начала координат, близких к началу температур рекристаллизации.

Резкий рост зерен в зоне критических степеней объясняется следующим.

1. В результате частичного разрушения межкристаллитного вещества происходит более тесное и непосредственное соприкос­новение кристаллитов, облегчающее присоединение атомов со­седних зерен к новому зерну, растущему из центра рекристалли­зации. Таким образом, несколько зерен объединяются в одно.

2. С увеличением температуры прочность межкристаллитного вещества уменьшается еще больше. В результате возможно со­прикосновение кристаллитов при малых степенях деформаций, т. е. критические степени деформации смещаются в началу коорди­нат, что отчетливо видно на рис. 2.20.

3. С увеличением температуры увеличивается подвижность атомов, что также способствует быстрому росту зерна при всех степенях деформации, в том числе и малых.

Кроме указанных выше причин роста зерен при температурах немного выше температуры рекристаллизации, несколько мень­шую роль играет длительность выдержки, при которой наблю­дается увеличение зерен. Это явление называют собирательной рекристаллизацией, которая протекает медленнее, чем рекристал­лизация обработки давлением при определенных температурах. Ускорение протекания собирательной рекристаллизации проис­ходит тогда, когда температура значительно превышает темпера­туру рекристаллизации.

Рост зерен в этом случае объясняется тем, что атомы решетки стремятся занять такое положение, при котором имеется минимум потенциальной энергии.

Вместе с тем надо обратить внимание на то, что искажения правильности взаимного расположения атомов в поверхностных слоях зерен увеличивают потенциальную энергию в поликристалле, в то время как при увеличении размеров зерен уменьшается по­тенциальная энергия, так как общая поверхность зерен умень­шается.

При нагреве холоднодеформированного металла до темпера­туры выше температуры начала рекристаллизации без дальнейшей деформации происходит также рекристаллизация. Это явление называется рекристаллизационным отжигом или просто низким отжигом; оно сопровождается увеличением зерен, и тем больше, чем больше температура нагрева, которая уменьшается с увели­чением деформации, полученной в холодном состоянии.

При этом может устраниться текстура холодной деформации или появиться текстура рекристаллизации, которая может сохра­нить направление ориентировки, но, что чаще бывает, изменить направление преимущественной ориентировки кристаллографи­ческих осей в материале.

Текстура рекристаллизации, т. е. ее величина, направление или отсутствие какой-либо текстуры зависят от состава сплава, содержания примесей, степени деформации, температуры отжига и выдержки. Все это надо обязательно учитывать, так как тек­стура рекристаллизации приводит к неприятным явлениям, как, например, к анизотропии механических свойств. Рекомендуемые в дальнейшем режимы обработки указаны с учетом этих явлений.

Рассмотрим влияние температуры на сопротивление деформи­рованию и пластичность по всему диапазону на графике (рис. 2.20), характерном для большинства углеродистых сплавов:

Нагрев примерно до 100° С незначительно снижает прочность и повышает пластические свойства;

Нагрев до 300° С, наоборот, снижает пластичность и значи­тельно повышает прочностные характеристики - это состояние называется синеломкостью;

Нагрев до 1000° С резко снижает сопротивление деформиро­ванию, так как значительно снижаются прочностные характе­ристики, например, предел прочности уменьшается в 12-15 раз, а пластические свойства повышаются (у некоторых углеродистых сплавов относительное удлине­ние доходит до 95-98%).

Явление синеломкости объяс­няется тем, что по плоскостям скольжения выпадают мелкие частицы карбидов, создавая торможение скольжению. Неко­торое снижение пластичности в области фазовых превращений, а также конца горячей де­формации объясняется тем, что при этих температурах увели­чивается неравномерность на­пряженного состояния в связи с наличием в это время двух фаз с различной теплопровод­ностью.

Рис. 3. График влияния темпера­туры на сопротивление деформирова­нию и пластичность

Очень опасен нагрев ме­талла около температур плав­ления, когда происходит оки­сление границ зерен и значи­тельный рост последних. В результате резко снижается пластичность, металл как бы оплавляется и даже разрушается. Это явление получило название пережога металла.

Максимальные пластические свойства практически у всех металлов имеются при температуре полной рекристаллизации, т. е. в этом случае одновременно металл имеет при горячей деформации самые малые показатели прочности и самые большие показатели пластичности.