Изменение плотности стали в процессе волочения
Результаты микроструктурных исследований показывают, что в процессе сдвигообразования в полосах скольжения или по границам зерен возникают многочисленные полости, которые по мере деформации растут и объединяются в большие пустоты-поры. Поры могут образовываться у инородных включений и на границе феррит-цементит.
Важное значение в изменении объема имеет исходная структура. В проволоке, отожженной на грубозернистый перлит, размеры и форма глобулярных частиц цементита мало изменяются даже после больших степеней обжатия и пластическая деформация происходит в основном за счет феррита. Такой характер деформации должен приводить к нагромождению дефектов на границе цементит-феррит с образованием микропустот уже на первых этапах деформации. Нарушение сплошности в микрообъемах и обусловливает интенсивное и устойчивое снижение пластичности в процессе волочения, начиная с первых переходов.
Аналогичные закономерности наблюдаются и при волочении стали со структурой грубо-пластинчатого перлита, где разворот и дробление неблагоприятно ориентированных пластин цементита в первых переходах вызывают не только перенаклеп ферритной матрицы, но и образование микротрещин. Возникшие микротрещины приводят к релаксации напряжений в процессе волочения стали, отожженной на грубозернистый перлит и к худшему набору механических свойств по прочности и пластичности.
Опыты показывают, что объем деформированного металла увеличивается на 0,5-0,6% и даже на 1%. Доля дислокаций и точечных дефектов в виде вакансий даже при их предельной плотности и концентрации в увеличении объема невелика и не превышает 0,1%. Следовательно, основная роль в изменении плотности при холодной деформации принадлежит возникающим микротрещинам.
Существует два вида трещин: при докритических степенях деформации возникают субмикротрещины атомного масштаба из скоплений дислокаций у любых барьеров, которые находятся в упругом равновесии в поле внутренних напряжений матрицы. Поскольку равновесие упругое, такие зародышевые трещины должны схлопываться при снятии внутренних напряжений. Нагрев до 200-500 °С приводит к аннигиляции точечных дефектов, снятию напряжений 2-го рода и полигонизации. Изменение объема в этом температурном интервале составляет величину порядка (3-4)10-3 за счет самозалечивания металла и устранения таких упругих трещин.
При сверхкритических обжатиях создаются стабильные микротрещины, приводящие к релаксации напряжений. Снятие локальных перенапряжений в ферритной матрице способствует открытию дополнительных источников дислокаций и совершенствованию ячеистой структуры. Накопление таких стабилизированных микротрещин приводит к снижению пластических свойств проволоки. Высокотемпературный нагрев выше 900 °С вызывает новый объемный эффект за счет ликвидации стабильных микротрещин механизмами термической пластичности.
В процессе волочения существует некоторая критическая степень деформации, при достижении которой зародышевые упругие трещины достигают гриффитсовских размеров, выходят из равновесия с действующим напряжением ткр и превращаются в свободные полости с релаксированным полем окружающих напряжений.
Оценка критической степени деформации позволяет сделать вывод, что уже на ранних стадиях деформации следует ожидать появления в деформируемом металле необратимых процессов изменения объема, сопровождающихся частичной релаксацией внутренних напряжений и связанных с возникновением стабильных микротрещин.
Рассмотренная модель и особенности изменения свойств стали позволяют обобщить закономерности эволюции тонкой структуры и формирования свойств металла при волочении. Исходная структура феррита и цементита зависит от содержания углерода в стали и термообработки, которая определяет дисперсность феррито-цементитной смеси.
На первой стадии волочения до обжатия 30-40% формируется ячеистая структура. В результате разворота и дробления неблагоприятно ориентированных цементитных пластин повышается плотность дислокаций на поверхностях раздела фаз, увеличиваются искажения второго рода. Локальное увеличение поля внутренних напряжений (локальный перенаклеп ферритной матрицы) вызывает образование устойчивых микротрещин. Интенсивное раскрытие стабильных микродефектов приводит к релаксации напряжений, что в процессе последующей деформации открывает ранее заблокированные источники Франка-Рида. Одновременно совершенствуется ячеистая структура, возникает волокнистое строение и формируется текстура.
На второй стадии волочения до обжатий 80-90% с учетом масштабного фактора все эти процессы в комплексе обусловливают постоянное повышение прочности проволоки несмотря на увеличивающийся масштаб раскрытия микротрещин (снижение пластических свойств - относительного удлинения и сужения). Возрастанию прочности с увеличением степени деформации наряду с повышающейся дисперсностью структуры способствует, по-видимому, продольная ориентация микротрещин в проволоке.
Процессы генерирования дислокаций, повышения микроискажений 2-го рода, образования трещин и пор, релаксации напряжений происходят одновременно. Сопротивление деформации металла продолжает увеличиваться, что подтверждается повышением прочности при одновременном снижении показателей пластичности.
На третьей стадии волочения после деформации 80-90% эти противоборствующие процессы уравниваются, интенсивность упрочнения снижается до нуля. Плотность дислокаций, достигая критического значения порядка 1011-1012 см/см3, уже не может компенсировать действие микродефектов. Возрастают локальные перенапряжения, температурный фон вызывает массовое закрепление подвижных дислокаций атомами примесей. Если в каком-то неблагоприятном месте трещина возрастает до размеров гриффитсовской, то уровень напряжений окажется достаточным для ее неограниченного автокаталитического распространения, что приведет к мгновенному разрушению образца. Для продолжения пластической деформации требуется термообработка в зависимости от назначения и свойств стали.