Атермическое разупрочнение меди

В литературе подробно охарактеризованы изменения  механических свойств металлов и сплавов в зависимости от степени деформации. Показано, что с увеличением суммарной степени холодной деформации прочностные характеристики металлических материалов непрерывно растут, а пластичность снижается. На основании результатов математической обработки экспериментальных данных установлено, что в области больших пластических деформаций (~40%) временное сопротивление разрыву и условный предел текучести металлов возрастают вследствие упругого искажения пространственной кристаллической решетки пропорционально истинной деформации и могут быть описаны линейными уравнениями

σ_в= σ_в0+К₁lnH/h, (1)

 

σ_T= σ_T0+К₂lnH/h, (2)

где σ_в и σ_T — временное сопротивление разрыву и предел текучести металла после деформации, кгс/мм²; σ_в и σ_T — то же, до деформации, кгс/мм²; K₁ и K₂ — коэффициенты деформационного упрочнения (для меди K₁= 6,55, K₂ = 7,79); Н и h — толщина полосы до и после деформации.

В действительности, характер упрочнения меди в процессе холодной прокатки на современных высокопроизводительных станах существенно отличается от линейной зависимости, так как значения коэффициентов  деформированного упрочнения с развитием  деформации непрерывно изменяются. Взаимная связь между относительной и истинной (логарифмической) деформацией при прокатке меди от 7,3 до 0,08 мм опре- деляется параболической зависимостью.

При истинной деформации 0,6—2,0 наблюдается  интенсивное упрочнение меди (рис. 1). В этом диапазоне экспериментальные значения временного сопротивления разрыву и предела текучести превышают расчетные на 30—70%. По мере дальнейшего развития деформации прирост прочности резко

Рисунок 1 – Расчетные (1, 2) и экспериментальные (3, 4) кривые изменения временного сопротивления  разрыву (1, 3) и предела текучести (2,4) меди в зависимости от истинной деформации.

 

 

снижается. Так, при истинной деформации 1,59 опытные  значения временного сопротивления разрыву превосходят расчетные на 10,9 (33,7%), а предела текучести — на 16,8 кгс/мм² (68%). Полученные результаты имеют принципиальное значение, так как формулы (1) и (2) для расчета пределов прочности и текучести не позволяют обеспечить оптимальное использование прокатных станов при проектировании режимов, обжатий. В частности, значительное отклонение экспериментального условного предела текучести от расчетного приводит к недооценке роли упрочнения меди в первых проходах, что в производственных условиях сопровождается увеличением нагрузки на привод и элементы рабочей клети стана, форсированным износом валков и ухудшением качества проката с точки зрения разнотолщинности.

Удовлетворительное совпадение расчетных  данных с экспериментальными достигается  при использовании в выражениях (1), (2) коэффициентов деформационного упрочнения, рассчитанных по формулам, являющимся результатом математической аппроксимации кривых:

,                                  (3)

,                                  (4)

Отклонение расчетных данных от опытных составляет не более 2% (R= 0,981), что дает возможность рекомендовать их для практического использования.

Экспериментальные кривые изменения  временного сопротивления разрыву и предела текучести меди в зависимости от истинной деформации могут быть также удовлетворительно описаны эмпирическими уравнениями, не содержащими коэффициентов деформационного упрочнения К₁ и К₂:

,                                (5)

,                               (6)

Эти выражения в качестве одного из членов содержат истинную деформацию, которую иногда необходимо определять с целью получения заданных механических характеристик готового проката. Для этой цели рекомендованы формулы, которые позволяют рассчитать истинную деформацию, обеспечивающую известную величину временного сопротивле- ния разрыву и предела текучести, исходя из свойств наклепанной меди:

           (7)

            (8)

Анализ рис. 1 показывает, что при истинной деформации около 6 кривые 1,2 пересекутся. В этом случае будем иметь

,                                              (9)

При дальнейшем развитии деформации предел текучести превзойдет временное  сопротивление разрыву.

Таким образом, расчетные формулы (1) и (2) с постоянными коэффициентами деформационного упрочнения К₁ и К₂ могут быть использованы для оценки временного сопротивления и предела текучести без существенной погрешности в области истинной деформации 3—6.

Более полно прочностные характеристики некоторых металлов и сплавов, в том числе меди и латуней, при деформации в холодном состоянии описываются уравнениями типа:

                           (10)

где у — текущее значение искомой механической характеристики; у₀ — исходное значение данной механической характеристики; х — текущее значение степени относительной деформации; а — постоянный коэффициент.

Так, для оценки временного сопротивления  и предела текучести меди предложены следующие эмпирические выражения:

, (11)

 (12)

В работе [13] рекомендован универсальный метод выбора эмпирических уравнений, описывающих начальную часть кривых изменения прочностных характеристик в зависимости от величины деформации для любого металла.

Значительный экспериментальный  материал подтверждает возрастание  изменения прочностных свойств  металлов и сплавов с повышением степени деформации.

Так, Е. С. Рокотян [14], исследуя зависимость предела текучести от обжатия при холодной прокатке некоторых марок стали, меди, алюминия, цинка, установил монотонное их упрочнение в интервале относительной суммарной деформации до 70%. Весьма близкий характер упрочнения металлов и сплавов по мере развития пластической деформации наблюдали и другие исследователи.

В работе [15] при деформировании отожженных образцов меди М2, цинка Ц1, латуней Л63, ЛС59—1В, дуралюминия Д1 и титановых сплавов показано, что все исследованные металлы и сплавы, за исключением цинка, упрочняются до самых высоких степеней деформации. Наибольшей способностью к упрочнению обладает медь, наименьшей — титановые сплавы. Цинк упрочняется до истинной деформации 0,2, а затем следует разупрочнение, что автор объясняет протеканием рекристаллизации в процессе холодной деформации.

Анализ результатов и полученных на их основе эмпирических выражений  позволяет сделать вывод, что  в условиях холодной деформации между  механическими свойствами металлов и степенью деформации существует тесная корреляционная связь: с увеличением суммарной степени деформации прочностные характеристики растут, а пластичность снижается. Суммарная степень деформации является единственной технологической характеристикой, которая позволяет предсказывать механические свойства металлов в зависимости от изменения поперечного сечения деформируемой заготовки. Имеющиеся формулы не учитывают влияния таких факторов, как дробность, скорость деформации, скорость прокатки и температуру. Многочисленными исследованиями установлено, что прочность наиболее интенсивно растет в начальной стадии деформации. Большинство выводов основано на экспериментальных данных, полученных при испытании образцов, деформированных с обжатием не более 80—90%- Поэтому количественные зависимости, связывающие механические свойства металлов и сплавов с суммарной степенью деформации более 90%, практически отсутствуют. Однако в литературе имеются общие сведения о том, что при некоторых параметрах обработки металлов давлением в холодном состоянии могут возникать условия для частичного снятия упрочнения непосредственно в процессе деформации, т. е. закономерность непрерывного роста временного сопротивления с увеличением суммарной степени деформации может не соблюдаться.

По мере развития пластической деформации в холодном состоянии при указанных  режимах прокатки временное сопротивление разрыву имеет тенденцию к росту. В первом приближении установленная зависимость временного сопротивления от относительной деформации носит линейный характер и может быть описана уравнением первого порядка:

кгс/мм²                                                (13)

Ошибка  при расчете по сравнению с  экспериментальными данными не превышает 2,5%.

Средние значения других характеристик меди после прокатки в холодном состоянии на заготовительном и отделочном станах с суммарной относительной деформацией 89 и 98,9% соответственно в сравнении с показателями исходной горячекатаной заготовки приведены в табл. 1.

 Таблица 1 – Изменение механических свойств медных лент при холодной прокатке

Свойства	Толщина, мм
	7,3	0,8	0,08
σВ, кгс/мм2
σ0,2, кгс/мм2
HRB, кгс/мм2
δ, %

Примечание. В числителе — величина характеристики, в знаменателе — изменение го сравнению с исходным значением, %.

Если принять допущение о  линейном характере изменения исследованных  свойств меди в зависимости от величины деформации, то рост на 1% относительного обжатия при заключительной прокатке в 7 проходов позволяет увеличить в среднем временное сопротивление на 1,3%, условный предел текучести — на 1,2 при одновременном снижении относительного удлинения на 1%.

При металлографическом изучении высокодеформированной меди установлено, что все образцы имели очень близкую волокнистую структуру, для которой характерна текстура деформации. Рентгенограммы ее отличались ярко выраженными неразмытыми линиями, свойственными наклепанному металлу.

 

3. Природа атермического разупрочнения

 

Большинство эффектов и явлений, влияющих на характеристики упрочнения металлов при пластической деформации, связано с изменением параметров (температура, скорость, схема напряженного состояния  т.д.). в случае, когда условия постоянны на протяжении  всего процесса деформирования, а температура мала по сравнению с температурой рекристаллизации материала, наблюдается непрерывное упрочнение металла с ростом степени деформации. Однако в литературе имеются сведения, что в ходе холодной деформации металлов при определенных для каждого материала условиях степень упрочнения металла изменяется, а в некоторых случаях металл даже разупрочняется.

Эллис одним из первых исследовал зависимость свойств латуни и  сплава Cu+20% Ni от степени деформации при прокатке. Он показал область, в которой с увеличением степени деформации твердость не изменялась. Критические области деформации с помощью различных методов изучены Джонсоном на холоднокатаной меди. На основе анализа зависимости твердости по  Бринеллю и Шору, временного сопротивления разрыву и плотности металла от степени деформации ему удалось выявить три критические степени деформации: 30-40, 60 и 80%. Сравнение результатов измерения твердости поверхности прокатных образцов с результатами измерения по продольному срезу показало, что местоположение критических областей зависит от выбора поверхности образца. Джонсоном исследована также зависимость свойств от степени деформации после отжига при 200, 250 и 750˚С. Результаты показали, что последеформационный отжиг приводит к исчезновению критических областей.

В СССР этот эффект, впоследствии названный явлением атермического  разупрочнения (ЯАР), одним из первых исследовал Н.П. Бахметьев.

Н. Н. Давиденко и В. Н. Бугаков  при исследовании холодной деформации меди, латуни, бронзы и сплавов меди с 20% никеля и 6% алюминия отметили немонотонное изменение свойств при 30-40% деформации. Изучение структуры показало, что  по мере приближения к критическим  степеням деформации заметно увеличиваются  количество линий скольжения и вытянутость  зерен. При рентгеновском исследовании деформированных в холодном состоянии  металлов замечено, что при определенных степенях деформации уменьшается ширина рентгеновских линий.

При изучении критических  областей деформации не проводилась  оценка достоверности их определения. Систематические исследования зависимости  свойств от степени деформации при  холодной прокатке и волочении меди, серебра, никеля, железа и других материалов показали, что для каждого материала  существует несколько критических  степеней деформации. В работе изучено  влияние дробности деформации при  прокатке на изменение свойств металлов в критических областях. Показано, что с уменьшением единичных  обжатий за проход свойства в критических  областях изменяются более значительно.

Интересные результаты получены в работе [16] при исследовании серебра различной чистоты. С увеличением чистоты материала критические области смещаются в сторону меньших степеней деформации. Кроме того, увеличение содержания примесей приводит к более заметному изменению твердости в критических областях.

Следует отметить, что разупрочнение  в ходе деформации наблюдается не только при прокатке и волочении, но и при растяжении. При больших суммарных деформациях никеля, молибдена и вольфрама отмечается наступление момента, когда последующая деформация приводит не к упрочнению, а к разупрочнению металлов.