Наклёп и рекристаллизация

Наклёп и рекристаллизация

Согните стальную проволоку несколько раз — и в месте перегиба она станет заметно твёрже и жёстче. Это и есть наклёп в действии. А если ту же деталь нагреть, металл словно «забудет» о деформации и вернёт мягкость — сработает рекристаллизация. Два противоположных процесса, тесно связанных друг с другом. Разберём их по порядку: что это такое, какими бывают, где полезны, а где мешают.

Два вида наклёпа

Наклёп различают по тому, что именно служит источником деформации. Отсюда и два его вида.

Деформационный наклёп. Возникает под действием внешних деформационных сил. У него есть два подвида:

• центробежно-шариковый — упрочнение создаётся кинетической энергией роликов, расположенных на периферии обода и контактирующих с обрабатываемой поверхностью;
• дробеструйный — поверхность упрочняют кинетической энергией дроби (стальной, чугунной или керамической), которую разгоняет роторный дробомёт либо поток воздуха.

Фазовый наклёп. Здесь источник деформации иной — фазовые превращения. В их результате образуются новые фазы, отличающиеся от исходных.

Когда наклёп полезен, а когда мешает

Наклёп бывает и желанным гостем, и досадной помехой — всё зависит от задачи.

Иногда его создают намеренно. Так поступают с проводами, цепями, тросами и арматурой железобетонных конструкций — чтобы избежать остаточных удлинений. А изделия из листовой меди или латуни прогоняют через холодную прокатку на валках, придавая им упругие свойства.

Но есть и обратная сторона. При изготовлении клёпаных конструкций наклёп нежелателен. Когда отверстия пробивают на прессах, их края оказываются наклёпанными, и это чревато трещинами. Выход простой: сначала пробивают отверстие меньшего диаметра, а затем рассверливают до нужного размера, снимая наклёпанный слой. Похожая беда подстерегает и при штамповке тонкостенных деталей — там наклёп способен привести к разрыву листов.

Три вида рекристаллизации

Процесс не однороден — выделяют три его разновидности.

1. Первичная. Зарождаются новые неискажённые кристаллиты, которые по мере роста поглощают зёрна, искажённые деформацией.
2. Собирательная. Неискажённые зёрна растут друг за счёт друга, и средний размер зерна увеличивается.
3. Вторичная. Отличается от собирательной тем, что способностью к росту обладает лишь часть зёрен.

Рекристаллизация почти полностью снимает наклёп: свойства рекристаллизованного металла становятся близки к свойствам отожжённого.

Температурный порог рекристаллизации

Наименьшую температуру, при которой начинается разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Этот показатель тем ниже, чем выше степень деформации, чем дольше нагрев и чем мельче было исходное зерно до деформации.

Температуру начала процесса рассчитывают по формуле Бочварова:

$Т_{рек} = а \ast Т_п$

где а — безразмерный коэффициент, учитывающий степень деформации и чистоту металла; Тп — температура плавления.

Как растут зёрна

После завершения первичной рекристаллизации при нагреве стартует рост рекристаллизованных зёрен за счёт соседних. Механизм такой: атомы переходят через границу раздела от одного зерна к другому, и границы растущих зёрен смещаются к центру кривизны. С точки зрения термодинамики процесс выгоден — система становится стабильнее, а поверхностная энергия металла снижается.

Собирательная рекристаллизация завершается формированием зёрен в форме многогранников, у которых углы разориентировки между соседними гранями составляют порядка 12 градусов.

При высоких температурах отдельные зёрна начинают расти неравномерно — это уже вторичная рекристаллизация. Структура превращается в смесь мелких и крупных зёрен, что бьёт по всем свойствам металла сразу.

Рекристаллизация на службе металлургии

Процесс не только устраняет последствия деформации — им управляют, чтобы задавать размер, форму, свойства и текстуру зёрен. В сталях, например, рекристаллизацию совмещают со сфероидизацией цементита: в итоге получаются округлые частицы цементита размером от 0,5 до 2 мкм.

Для быстрой оценки температуры рекристаллизации сплава в металлургии применяют простое правило — берут 0,4 от температуры плавления. А если увеличить время выдержки при этой температуре или поднять температуру нагрева, центры рекристаллизации начинают расти активнее.

Так наклёп и рекристаллизация складываются в единую логику управления металлом: холодная деформация упрочняет его, меняя структуру, а последующий нагрев через первичную, собирательную и вторичную стадии перестраивает зёрна заново — снимая упрочнение там, где оно лишнее, и формируя нужную структуру там, где это важно.