Рис.1. Характер изменения средней величины зерна аустенита в зависимости от температуры нагрева
Нередко процесс рекристаллизации сопровождается не одним, а
двумя резкими скачкообразными возрастаниями величины зерен (кривая 3 на рис. 1).
Такое изменение размеров зерен может быть связано с преодолением двух энергетических
барьеров, соответствующих
различным температурам. При этом до двух определенных значений температуры происходит
медленный, постепенный рост зерен аустенита,
проявляющийся в увеличении одних зерен за счет уменьшения соседних.
Затем, после достижения известного температурного интервала порядка
нескольких градусов, возникают условия, при которых отдельные зерна,
обладающие, по-видимому, наиболее благоприятно ориентированным
расположением кристаллической решетки, «присоединяют» к себе боль-
шие участки соседних зерен и даже целые зерна. Такое двукратное скачкообразное увеличение
размеров зерен аустенита при определенных
значениях температуры происходит в образцах, предварительно прошедших механическую
обработку давлением и термическую обработку
и не подвергавшихся отжигу для снятия остаточных напряжений.
Представляет интерес особенность процесса рекристаллизации
аустенита, проявляющаяся в виде закономерности, иллюстрируемой
кривой 4 (рис. 1). При этом в начале нагрева повышение температуры
вызывает некоторое увеличение размеров зерен, а затем при достижении определенного
значения температуры внутри отдельных крупных
зерен аустенита возникают новые, более мелкие зерна, которые образуются как бы из
новых центров кристаллизации. Последующее повышение температуры всего на несколько
градусов вызывает резкое увеличение размеров этих новых зерен, тогда как после прохождения
этого
температурного интервала дальнейшее повышение температуры приводит к медленному
возрастанию размеров зерен аустенита.
Повышение температуры нагрева рассматриваемого
образца до
950 ºС и выдержка при этой температуре в течение 10 мин. приводят к
Увеличению размера зерен до 805 мк2, тогда как при 1000 ºС (выдержка
10 мин.) величина зерен аустенита резко возрастает более чем в 20 раз
и составляет около 9400 мк2.
Дальнейшее повышение температуры до 1050 ºС и выдержка в течение 10 мин.
вызывают увеличение размеров зерен до 13800 мк2
Микрофотографии снимали соответственно при 1100 и 1200 после 10 мин. выдержки
при каждой температуре. Средняя площадь зерен возросла до 18350 и 37300 мк2.
Дальнейшее повышение температуры всего на 50 ºС (до 1250 ºС) и выдержка
в течение 10 мин. вызывают второй «скачок» в увеличении
плошади зерен: при этой температуре средняя площадь зерен возрастает
понтии 10 раз и составляет 357500 мк2.
При определенной температуре размеры зерен аустенита уменьшаются, а затем быстро
растут. В участке образца,
снятом при 1150 ºС, выявлены широкие гарнцы крупных зерен аустенита. Внутри
этих зерен можно заметить следы старых границ зерен, су-
ществовавших ранее, при более низкой температуре. В зоне, отмеченной
стрелкой и имевшей температуру 1180 ºС, видны очерченные тонкими
границами новые зерна, возникшие при этой температуре и образовав-
шиеся как бы из новых центров кристаллизации. Увеличение темпера-
туры всего на 20 ºС (до 1200 ºС) приводит к резкому увеличению этих новых
зерен в табл. 2 приведены средние величины площади зерен
аустенита а ряде, исследованных нами сталей.
Табл. 2
Темпе-
ратура
ºС
Средняя площадь, мк2,зерен аустенита сталей
20
45
12Х2Н4А
20Х
ЭИ395
18ХГТ
900
950
1000
1050
1075
1100
1125
1150
1175
1200
835
910
19500
31700
―
40150
41800
57600
60500
73200
715
805
9400
13800
14100
18350
―
20900
32100
37300
210
262
575
3640
―
8350
―
17400
―
21000
415
1655
3340
―
6150
―
11500
―
12150
810
1120
3010
6850
8400
13800
18100
25940
3590
40720
105
130
165
404
―
1240
―
5940
―
11080
Рис.2 .Изменение средней площади зерен образца стали ЭХ18Н9.
Влияние температуры на статистические
механические характеристики металлов.
Многие детали
машин, аппаратов, конструкций, инструмента работают в диапазоне температур, значительно
отличающихся от нормальной (комнатной) температуры. Поэтому при выведении детали
на рабочий режим, т. е. при нагреве или охлаждении от нормальной температуры могут
существенно измениться механические свойства материала. Для обеспечения конструктивной
нанежности подобных элементов необходимы сведения о закономерностях изменения механических
свойств и широком интервале температур. Однако несмотря на практическую важность
и многочислен-
ность исследований эти зависимости слабо освещены теоретически и часто представляются
чисто эмпирическими.
Эксперименты свидетельствуют о весьма сложной зависимости
механических свойств от температуры. Это обусловлено тем, что кроме чисто физического
воздействия, которое изменяет амплитуду тепловых колебаний атомов, активационный
объем и механизмы пластической деформации, изменение температуры вызывает различные
сопутствующие физические процессы. Например, упорядочение твердого раствора, образование
зон типа Гинье — Престона, выделение дисперсных частиц и их коагуляция, рост зерен
и полиморфные превращения в матрице и т. и. Огромное влияние на физико-механические
характеристики металлов и сплавов при вы-
соких температурах оказывают процессы возврата и рекристаллизации, происходящие
в момент механических испытаний. Приведенные данные еще раз подтверждают хорошо
известный факт, что уровень механических характеристик зависит как от физического
состояния и природы металла или
сплава, так и сопутствующих процессов в Матрице и упрочняющей фазе, эффект от которых
отделяется условиями механических испытаний.
Для удобства изложения зависимости статических механических свойств от температуры
испытаний рассматриваются отдельно для металлов с ГЦК- и ОЦК-решетками соответственно
в структурно-стабильном и структурно-неустойчивом состояниях.
Влияние температуры на вид диаграмм и предел
текучести стабильных металлов с ГЦК-решеткой.
Компоненты предела текучести.
Температура оказывает влияние как на величину характеристик прочности и пластичности,
так и на вид диаграмм деформирования. В зависимости от температурного интервала
механических испытаний для поликристаллических структурно-стабильных сплавов. М.
В. Якутович и В. А. Павлов
выделяют два: вида диаграмм «нагрузка — деформация» : низкотемпературную и высокотемпературную.
К отмеченным видам диаграмм следует
добавить еще один — промежуточный. Характерным признаком низкотемпературной диаграммы
Р- является
наличие
довольно резко выраженного предела текучести и отсутствие участка деформации с уменьшающимся
усилием. Разрушение происходит при максимальной нагрузке, на образце перед разрушением
шейка не возникает.
На высокотемпературной диаграмме физический предел текучести отсутствует,
но отмечается четко выраженный максимум по нагрузке, расположенный, ближе к начальному
участку диаграммы. Разрушение сопровождается образованием шейки, т. е. отмечается
местное уменьшение поперечного сечения образца. Участок диаграммы с постепенно уменьшающимся
усилием деформации имеет тем большую протяженность по степени деформации, чем выше
температура и больше относительное
сужение поперечного сечения: при Ψ→100% усилие в мо-
мент разрушения приближается к нулю. Промежуточный вид диаграмм имеет признаки как
низко температурной, так и высокотемпературной диаграммы. Подобно диаграмме, первого
типа на промежуточной диаграмме имеется выраженный предел текучести, подобно диаграмме
второго типа — максимум по напряжениям и деформация с уменьшающимся усилием. Последнее
является следствием возникновения на образце шейки.
Вид диаграмм деформирования монокристальных образцов ГЦК-металлов
существенно меньше зависит от температуры испытаний. Независимо от температуры
на истинных диаграммах «напряжение сдвига — относительный сдвиг» можно отметить
наличие трех стадий пластической деформации: 1 — легкого скольжения, 2 — множественного
скольжения, 3 — скольжения с переползанием (рис. 3). Следует заметить, что температура
оказывает влияние на протяженность стадий. Наиболее четко все три стадии деформации
наблюдаются при механических испытаниях в среднем интервале температур
200>Ти>50 К. С понижением температуры увеличивается степень деформации
по механизму легкого и множественного скольжения (1 и 2)
стадии сокращается степень деформации по механизму переползания.
Поэтому для низкотемпературной диаграммы 3 стадия деформации выражена слабо или
совсем отсутствует. Высокотемпературная диаграмма, наоборот, характеризуется отсутствием
1 стадии, степень деформации по механизму множественного скольжения обычно невелика.
Деформация происходит, главным образом, по механизму скольжения с переползанием.
По этой причине в процессе испытаний при температурах. выше 300 К, когда процессы
деформационного упрочнения и разупрочнения ( за счет возврата или рекристаллизации)
происходят одновременно, параболический участок
кривой τ — g может выродиться в горизонтальную прямую. В некоторых случаях может наблюдаться
деформационное (динамическое) разупрочнение и соответственно на диаграммах τ
— g появляется максимум τ
и ниспадающий участок.
Сопоставляя диаграммы деформирования (рис.3 и 4), можно заметить и количественные
закономерности изменения механических характеристик по мере изменения температуры.
Видно, что с повышением температуры уменьшается величина модуля упругости, предела
текучести, предела. прочности и характеристик пластичности.
