Рекристалізаційний відпал сталі – усунення наслідків деформації та відновлення пластичності

Рекристалізаційний відпал – це процес термічної обробки, який переважно використовується для матеріалів, які раніше були оброблені холодною обробкою. Його основна мета – усунути наслідки деформаційного зміцнення, відомого як холодна обробка, та відновити мікроструктуру, дозволяючи матеріалу відновити свою пластичність.
Під час холодного прокатки, волочіння, штампування, гнуття та інших процесів деформації за температур нижче температури рекристалізації щільність дислокацій збільшується, зерна видовжуються, а матеріал стає твердішим і міцнішим, але також менш пластичним. Після досягнення високого ступеня зміцнення подальша деформація може стати ускладненою або неможливою без проміжної термічної обробки.
Правильно виконаний рекристалізаційний відпал призводить до утворення нових зерен, вільних від значної частини наслідків попередньої деформації, які потім заміщують деформовану мікроструктуру. В результаті, зниження твердості та міцності, пов'язані з деформаційним зміцненням, та значне збільшення пластичності.

Що таке розчавленість?

Розчавлення – це сукупність змін мікроструктури та властивостей матеріалу, що відбуваються під час пластичної деформації, насамперед холодної. Під час деформації відбувається інтенсивний рух та розмноження дислокацій, а їх збільшення щільності перешкоджає подальшому руху наступних дислокацій.
В результаті цього матеріал піддається деформаційне зміцненняДля досягнення подальшої деформації необхідно прикладати дедалі більші напруження.
Типовими наслідками здавлювання є:

• збільшення щільності дислокацій,
• видовження та деформація зерен у напрямку обробки,
• збільшення твердості,
• збільшення межі текучості та міцності,
• зменшення пластичності,
• формування кристалографічної текстури,
• накопичення енергії деформації в мікроструктурі,
• ймовірність виникнення залишкових напружень.

Що таке рекристалізаційний відпал?

Рекристалізаційний відпал включає нагрівання пластично деформованого матеріалу до температури, яка дозволяє утворення та ріст нових зерен зі значно меншою щільністю дислокацій, ніж у деформованій структурі.
Не подобається повний відпал Процес не вимагає аустенітизації сталі. Перекристалізація може відбуватися у твердому стані без перетворення структури на аустеніт.
Це фундаментальна відмінність між рекристалізаційним відпалом та багатьма термічними обробками, які використовують фазові перетворення.

Чому матеріал потребує рекристалізації після подрібнення?

Зміцнення під дією деформації може бути бажаним ефектом, коли метою є підвищення міцності та твердості матеріалу. Однак воно являє собою технологічне обмеження в багатьох виробничих процесах.
Наприклад, під час багатоетапного волочіння дроту або прокатки листового металу матеріал стає дедалі твердішим і менш схильним до подальшої деформації після кожної операції. Продовження процесу може вимагати дедалі більших зусиль і збільшувати ризик розтріскування.
Рекристалізаційний відпал, що виконується між послідовними стадіями пластичної обробки, може відновити належну пластичність і дозволити подальшу деформацію.

Стадії зміни мікроструктури під час нагрівання матеріалу після холодної обробки

Зміни, що відбуваються під час нагрівання пластично деформованого матеріалу, можна розглянути у трьох основних етапах:

1. відновлення,
2. перекристалізація,
3. ріст зерна.

Ці стадії взаємопов'язані, але представляють різні механізми змін, що відбуваються в мікроструктурі.

1. Відновлення матеріалів

Відновлення передує власне рекристалізації. Під час нагрівання рухливість дефектів кристалічної решітки збільшується, що дозволяє частково реорганізувати та знищити дислокації.
Енергія, накопичена під час попередньої деформації, зменшується, і деякі залишкові напруження можуть зменшитися. Також може відбуватися впорядкування дислокацій та формування субзеренної структури.
Однак, під час стадії відновлення, основна структура деформованих зерен залишається значною мірою збереженою. Вони ще не повністю замінюються новими зернами, що типово для рекристалізації.

2. Перекристалізація

Після досягнення відповідних теплових умов у матеріалі починають формуватися нові зерна зі значно меншою щільністю дислокацій. Їхнє формування стає можливим завдяки енергії, що накопичилася раніше під час пластичної деформації.
Нові зерна поступово ростуть за рахунок деформованої мікроструктури. У міру розвитку процесу витягнуті та сильно деформовані ділянки замінюються новими зернами більш однорідної форми.
Ця стадія відповідає за найбільші зміни механічних властивостей: твердість і міцність, що виникають внаслідок холодної обробки, зменшуються, тоді як пластичність зростає.

3. Ріст зерна

Після завершення рекристалізації подальше витримування матеріалу за підвищених температур може призвести до ріст зернаБільші зерна ростуть за рахунок менших, оскільки система прагне зменшити загальну площу меж зерен.
Надмірний ріст зерен зазвичай не є бажаним ефектом рекристалізаційного відпалу. Тому надмірно високі температури або надмірно тривалий час відпалу можуть призвести до погіршення необхідних властивостей матеріалу.

Мікроструктура до та після рекристалізації

Температура рекристалізації

Температура рекристалізації не є єдиною постійною температурною характеристикою для всіх металів або навіть для одного виду матеріалу. Рекристалізація – це процес, який залежить як від температури, так і від часу.

На початкову температуру та швидкість рекристалізації впливають, серед іншого:

• тип матеріалу,
• хімічний склад,
• ступінь попередньої пластичної деформації,
• початковий розмір зерна,
• температура попередньої обробки,
• час нагрівання,
• наявність осадів та легуючих елементів,
• чистота матеріалу.

Тому вказувати одну універсальну температуру відпалу рекристалізації для всіх сталей було б неправильно. Параметри процесу необхідно визначати для конкретного матеріалу та його попереднього стану деформації.

Вплив ступеня холодної обробки на рекристалізацію

Ступінь попередньої пластичної деформації є фундаментальним для перебігу рекристалізації. Чим більша деформація, тим більша кількість енергії, що зберігається в матеріалі, і тим більша щільність дислокацій.
Висока накопичена енергія є рушійною силою процесу рекристалізації. Тому матеріал, що піддається більшому ступеню деформації, може рекристалізуватися легше та за нижчої температури або за коротший час, ніж матеріал, що піддається меншому ступеню деформації.
Також існує концепція критичне захопленняЯкщо ступінь деформації занадто малий, кількості ділянок, сприятливих для утворення нових зерен, може бути недостатньо для досягнення типової картини рекристалізації. За певних умов це може призвести до утворення небажано грубих зерен.

Вплив температури та часу нагрівання

Температура та час – це взаємопов’язані параметри. Підвищення температури збільшує швидкість процесів дифузії та рухливість меж зерен, що дозволяє рекристалізації проходити швидше.
За нижчих температур для досягнення подібного ступеня рекристалізації може знадобитися більше часу. І навпаки, надмірне підвищення температури або часу після завершення рекристалізації збільшує ризик росту зерен.
Таким чином, оптимальний цикл повинен забезпечувати необхідний ступінь рекристалізації без зайвого подовження часу відпалу.

Вплив перекристалізації на твердість

Під час холодної обробки твердість матеріалу збільшується внаслідок деформаційного зміцнення. Під час рекристалізації утворюються нові зерна зі значно меншою щільністю дислокацій, що призводить до значного зниження твердості.
Зміна твердості може бути використана на практиці для оцінки прогресу процесу. У дослідженні матеріалів зв'язок між твердістю та температурою або часом відпалу може вказувати на ступінь інтенсивної рекристалізації.

Вплив перекристалізації на міцність

Деформаційне зміцнення збільшує межу текучості та в'язкість матеріалу. Перекристалізація усуває значну частину цього зміцнення, тому властивості міцності, пов'язані з деформаційним зміцненням, знижуються.
Це не є дефектом процесу, а його цільовим ефектом, коли матеріал буде піддано подальшим операціям пластичного формування.

Вплив перекристалізації на пластичність

Одним з найхарактерніших ефектів рекристалізаційного відпалу є відновлення пластичності, втраченої під час холодної обробки.
Матеріал, який став твердим і менш схильним до подальшої деформації після інтенсивного прокатки або витяжки, може бути підданий подальшій пластичній обробці після відповідного відпалу.
Ось чому перекристалізація є важливим елементом багатостадійних виробничих процесів листів, смуг, дротів, прутків, труб та інших напівфабрикатів, отриманих методом холодної обробки.

Рекристалізаційний відпал листів та смуг

Холодне прокатки дозволяють отримати малі допуски на розміри, добру якість поверхні та необхідні властивості матеріалу, але водночас це призводить до зміцнення матеріалу.
Якщо потрібне подальше зменшення товщини або подальша глибока витяжка, матеріал може потребувати рекристалізаційного відпалу. Цей процес відновлює здатність листа або смуги до подальшої деформації.
Залежно від технології, відпал може проводитися як проміжний процес між наступними етапами прокатки або як остаточна обробка для надання матеріалу необхідного стану постачання.

Рекристалізаційний відпал дроту

Під час волочіння дроту його поперечний переріз поступово зменшується шляхом пропускання через матриці. Кожен прохід збільшує ступінь деформації та ще більше зміцнює матеріал.
Після досягнення певного ступеня зміцнення подальше витягування може вимагати дуже високих зусиль і збільшувати ризик пошкодження матеріалу. Проміжний відпал дозволяє зменшити вплив зміцнення та продовжити процес витягування.

Рекристалізаційний відпал труб та профілів

Труби та профілі, виготовлені або калібровані методами холодної обробки, також можуть зазнавати значного гартування. Залежно від матеріалу та технології, між наступними етапами волочіння, відновлення або формування може використовуватися рекристалізаційний відпал.
Це дозволяє матеріалу відновити свою здатність до подальшої деформації та зменшує ризик розтріскування під час наступних операцій.

Рекристалізаційний відпал та відпал для зняття напруги

Рекристалізаційний відпал не слід плутати з відпал для зняття напруги.
Відпал для зняття напруги в першу чергу призначений для зменшення залишкових напружень, мінімізуючи зміни мікроструктури та властивостей матеріалу. З іншого боку, відпал для рекристалізації має на меті призвести до утворення та росту нових зерен, що замінюють структуру, деформовану під час попередньої пластичної обробки.

Рекристалізаційний відпал та повний відпал

Повний відпал Для досягнення бажаної структури сталі використовується аустенітизація та дуже повільне охолодження. Тому це пов'язано з фазовими перетвореннями, що відбуваються під час нагрівання та охолодження.
Рекристалізаційний відпал не вимагає аустенітизації. Його механізм пов'язаний, головним чином, з енергією, що накопичується в матеріалі під час попередньої деформації, а також з утворенням і ростом нових зерен.

Рекристалізаційний відпал та нормалізація

Нормалізація сталі включає нагрівання матеріалу до аустенітного діапазону, а потім охолодження його на повітрі. Серед іншого, це служить для гомогенізації та уточнення структури.
Рекристалізація служить, головним чином, для усунення наслідків попередньої холодної деформації. Тому ці процеси використовують різні механізми та застосовуються в різних технологічних ситуаціях.

Рекристалізаційний відпал та розм'якшення сталі

Рекристалізаційний відпал може призвести до значного зниження твердості і тому класифікується як процес, який дозволяє розм'якшення сталіПричина цього пом'якшення, однак, є характерною.
Це не пов'язано головним чином зі зміною морфології карбіду, як при сфероїдизуючому відпалі, і не з повільним перетворенням аустеніту, як при повному відпалі. Це результат видалення зміцненої внаслідок деформації структури та її заміни новими зернами з меншою щільністю дислокацій.

Рекристалізація та нержавіючі сталі

Холодне формування також широко використовується у виробництві нержавіюча стальПрокатка, волочіння та формування можуть спричинити значне зміцнення під деформацією, особливо в деяких аустенітних сталях.
Відповідна термічна обробка може призвести до рекристалізації деформованої структури. Однак, у випадку нержавіючих сталей, параметри процесу необхідно вибирати з урахуванням конкретної марки та інших явищ, які можуть виникати під час нагрівання. Тому не слід використовувати один універсальний температурний діапазон для всіх нержавіючих сталей.

Що впливає на розмір зерна після рекристалізації?

Розмір зерна, отриманий після процесу, має значний вплив на кінцеві властивості матеріалу. На нього впливають, головним чином:

• ступінь попереднього дроблення,
• розмір зерна до деформації,
• температура відпалу,
• час нагрівання,
• хімічний склад,
• наявність преципітатів, що перешкоджають руху меж зерен.

Неправильне поєднання низької швидкості деформації та умов відпалу може призвести до утворення грубого зерна. Тому ступінь попередньої деформації є таким же важливим параметром процесу, як і сама температура.

Найпоширеніші помилки під час рекристалізаційного відпалу

• Занадто низька температура або занадто короткий час – перекристалізація може бути неповною.
• Занадто висока температура – після завершення рекристалізації може відбуватися надмірний ріст зерен.
• Занадто довгий час нагрівання – збільшує ризик зростання зерна та безпідставно подовжує процес.
• Неврахування ступеня зминання – може призвести до неправильного вибору параметрів.
• Розглядаючи температуру рекристалізації як одну постійну величину – ігнорує вплив часу, складу та стану матеріалу.
• Плутанина з рекристалізацією та зняттям напруги – обидва процеси мають різні цілі та різний вплив на мікроструктуру.

Переваги рекристалізаційного відпалу

• усунення значної частини наслідків деформаційного зміцнення,
• відновлення пластичності матеріалу,
• зниження твердості після холодної обробки,
• що дозволяє подальше прокатку, витягування або формування,
• утворення нових зерен з низькою щільністю дислокацій,
• може використовуватися як проміжна обробка в багатостадійних технологічних процесах.

Обмеження рекристалізаційного відпалу

• процес вимагає попередньої деформації матеріалу, що забезпечує рушійну енергію для рекристалізації,
• температура залежить від матеріалу та ступеня попереднього подрібнення,
• надмірна температура або час можуть спричинити ріст зерна,
• занадто малий ступінь деформації може ускладнити отримання бажаної рекристалізації,
• процес усуває корисне зміцнення від деформації, якщо це було бажаним кінцевим результатом.

Застосування рекристалізаційного відпалу

Цей процес переважно використовується у виробництві виробів холодного формування. Його можна використовувати як для проміжної, так і для остаточної обробки.

Типові застосування включають:

• холоднокатані листи,
• сталеві стрічки,
• натягнуті дроти,
• холоднотягнуті прутки,
• холоднотягнуті та відновлені труби,
• холодноформовані профілі,
• елементи, призначені для глибокої витяжки,
• напівфабрикати, що потребують кількох послідовних стадій пластичної деформації.

Рекристалізаційний відпал – найважливіша інформація

Рекристалізаційний відпал – це процес, призначений переважно для матеріалів, зміцнених холодною обробкою. Під час нагрівання процеси відновлення та рекристалізації відбуваються по черзі, а при подальшому нагріванні може розпочатися ріст зерен.
Найважливішим кроком є ​​формування нових зерен зі значно меншою щільністю дислокацій, які замінюють сильно деформовану структуру, створену під час холодної обробки. Це призводить до зниження твердості та міцності внаслідок деформаційного зміцнення, а також до відновлення пластичності.
Цей процес особливо важливий у виробництві холоднодеформованих листів, смуг, дротів, прутків, труб та профілів. Його можна виконувати між наступними етапами деформації або як остаточну обробку. Температуру та час відпалу необхідно вибирати залежно від типу матеріалу, його хімічного складу, ступеня попереднього гартування та необхідного розміру зерна.

Методи термічної та термохімічної обробки сталі

Рекристалізаційний відпал – це лише один із групи процесів, що використовуються для модифікації мікроструктури та властивостей сталі. Залежно від бажаного ефекту також використовуються нормалізація, зняття напружень, гартування, відпуск та термохімічні процеси, такі як цементація та азотування.

Методи термічної обробки сталі

• Нормалізація сталі – подрібнення зерна та уніфікація мікроструктури.
• Відпал для зняття напруги – зменшення залишкових напружень.
• Розм'якшення сталі – зменшення твердості та покращення чутливості до подальшої обробки.
• Повний відпал – аустенітизація та повільне охолодження.
• Ізотермічний відпал – перетворення, що здійснюється під час витримування за правильно вибраної температури.
• Кульовий відпал – сфероїдизація – зміна морфології цементиту або інших карбідів.
• Рекристалізаційний відпал – усунення наслідків зминання та відновлення пластичності.
• Гомогенізуючий відпал – зменшення сегрегації та гомогенізація складу матеріалу.
• Загартування та термічна обробка – формування мікроструктури та властивостей шляхом гартування та відпуску.
• Загартування сталі – контрольована модифікація властивостей сталі після гартування.
• Індукційне гартування – поверхневий індукційний нагрів та швидке охолодження.
• Гартування полум'ям – поверхневе зміцнення після локального нагрівання полум’ям.
• Перенасичення – отримання перенасиченого твердого розчину за допомогою відповідного термічного циклу.
• Старіння – контрольоване розділення фаз, що призводить до зміцнення матеріалу.

Методи термохімічної обробки сталі

• Азотування сталі – дифузійне збагачення поверхневого шару азотом.
• Цементація сталі – дифузійне збагачення поверхні вуглецем.
• Карбонітрування – одночасне збагачення поверхневого шару вуглецем та азотом.
• Нітрокарбуризація / нітрокарбуризація – збагачення шару переважно азотом та вуглецем.
• Буріння – дифузійне насичення поверхні бором.
• Дифузійне хромування – дифузійне збагачення шару хромом.
• Дифузійне алюмінізування – дифузійне збагачення шару в алюмінії.