ТЕОРИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ДЕФОРМАЦИИ
Типы кристаллической решетки
В теории ОМД рассматриваются процессы деформации металла на основе изучения, с одной стороны, физико-химических закономерностей, протекающих в металле при деформировании, и с другой — чисто механических явлений, основанных на достижениях теории упругости и пластичности.
Сначала кратко рассмотрим физико-химические основы деформации, помня о том, что глубокому изучению этого направления посвящен отдельный курс.
Металлы и сплавы представляют собой твердые тела. В отличие от аморфных тел (и жидкостей) они имеют кристаллическое строение. Если в аморфных материалах атомы и молекулы располагаются в хаотическом порядке, то в кристаллических телах, в том числе в металлах, атомы упорядочены. Первичной формой строения металлического тела является монокристалл, который представляет собой однородное физическое тело, состоящее из правильно уложенных и одинаково ориентированных элементарных кристалликов, имеющих форму выпуклого многогранника с определенным образом уложенными в нем атомами. Кристалл неправильной формы называется кристаллитом, но в нем, как и в монокристалле, все атомы имеют одну ориентацию и упорядочены одинаково. Сросшиеся между собой несколько разноориентированных кристаллитов называются поликристаллом.
Монокристаллы и кристаллиты в металлургии используются редко и выращиваются специальными методами в лабораториях. Металл, получаемый в промышленности путем затвердевания (кристаллизации) расплава, состоит из зерен и межзеренных границ, которые могут иметь сложный состав и строение. При дальнейшем нагреве и пластической деформации состав и размеры зерен существенно изменяются. В этом состоит основное отличие зерна от кристаллита. Но на первичном уровне можно считать, что кристаллиты и зерна одинаково состоят из элементарных кристалликов определенной формы, которые характеризуются типом кристаллической решетки металла.
Из всего разнообразия типов кристаллической решетки для обработки давлением наибольший интерес представляют три — гранецентрированная, объемно-центрированная и гексагональная (рис. 1.1), так как основная масса деформируемых металлов и сплавов имеет такое кристаллическое строение. Так, у-железо (при высокой температуре), медь, никель, золото, алюминий, серебро имеют гранецентрированную решетку; a-железо (низкотемпературное), ванадий, вольфрам, молибден, хром, тантал имеют объемно-центрированную решетку; гексагональную решетку образуют магний, цинк, кобальт, а- титан, бериллий.
Строение кристаллической решетки определяет одно из фундаментальных свойств металла — его пластичность. Пластичность — это свойство металла изменять свою форму без разрушения. Пластичность металла может быть количественно оценена гой степенью деформации, при которой появляются в металле первые микротрещины. Такая предельно допустимая степень пластической деформации называется запасом пластичности. Серьезному изучению пластичности разных металлов по учебному плану посвящен отдельный большой курс, который является одним из основных в специализированной подготовке ин- женера-технолога по обработке давлением.
Пластичность металла существенно зависит от типа кристаллической решетки. Наиболее пластичны металлы с гранецентрированной решеткой, объем- ноцентрированные металлы менее пластичны, еще меньшую пластичность имеют металлы с гексагональной решеткой. Эго определяется количеством кристаллографических плоскостей и их направлений, по которым происходит скольжение металла при пластической деформации.
Для определения плоскостей в кристаллической решетке принята система индексации. Для кубических решеток (объемно-центрированной и гранецентрированной) плоскость обозначается тремя цифрами, заключенными в круглые скобки. Цифры представляют собой обратные величины координат отрезков, отсекаемых плоскостью по трем осям кубической решетки, причем за единицу измерения принят параметр решетки.
На рис. 1.2 показаны плоскость (100) — грань куба, плоскость (110), проходящая через два противоположных ребра, плоскость (111), отсекающая по каждой оси отрезок, равный 1, и плоскость, проходящая через диагональ основания и середину второго ребра, имеющая обозначение (112). В гексагональной решетке (рис. 1.3) плоскость обозначается обратными значениями координат,
Рис. 1.1. Типы кристаллических решеток основных металлов: а — объемно-центрированная; б — гранецентрированная; в — гексагональная отсекаемых ею на четырех осях, три из которых а,, а2 и а3 расположены в плоскости основания (базиса), а четвертая а4 — по высоте призмы.
Рис. 1.3. Обозначение плоскостей в гексагональной решетке
В кристаллической решетке обозначаются не только плоскости, но и направления. Направление задается прямой, исходящей из начала координат и проходящей через атом, лежащий на этой прямой. Направление обозначается обратными значениями координат этого атома, заключенными в квадратные скобки. Причем при отрицательных значениях координат над цифрой ставится знак “минус”. Примеры направлений в кубической решетке показаны на рис. 1.4.
В каждой решетке (см. рис. 1.1) в разных плоскостях и по разным направлениям количество атомов и расстояния между ними различны, поэтому свойства кристаллического тела по разным направлениям неодинаковы. Различие свойств металла по разным направлениям называется анизотропией. Анизотропия является одним из основных свойств отдельного кристаллита или зерна, которая может быть использована в изделии или, наоборот, с которой приходится бороться, если в металлическом изделии ценится однородность свойств по всем направлениям.
Рис. 1.4. Обозначение направлений в кубической решетке
Рис. 1.2. Плоскости кубической элементарной ячейки и их обозначения
Направления плоскостей атомных решеток основного металла в разных зернах различны и сильно зависят от условий кристаллизации. Поэтому промышленные объемы металла могут не проявлять анизотропии, хотя внутри каждого зерна свойства его анизотропны. При последующей пластической деформации направления кристаллографических плоскостей в зернах изменяются весьма существенно.
Характер пластической деформации реального металла определяется как свойствами отдельного зерна и расположением кристаллографических плоскостей в них, гак и расположением и размерами зерен в металле, фазовым составом металла, наличием других фаз внутри зерен. Как видно, на характер пластической деформации реального металла оказывают влияние многие факторы.
