ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ, ВОЗВРАТ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Упругая и пластическая деформации

Процессы деформации и разрушения являются исключительно важными практически для всех материалов. Они происходят во время технологических операций обработки, при механических испытаниях и, конечно, во время эксплуатации конструкций и отдельных деталей.

Деформация, во время которой могут изменяться формы и размеры тела, происходит под действием внешних нагрузок (напряжений). Деформация, исчезающая после разгрузки (снятия напряжения), называется упругой, а сохраняющаяся после прекращения действия внешних напряжений, — остаточной. Остаточная деформация, возникающая без разрушения, называется пластической.

Поведение металлов при упругой деформации с достаточно хорошим приближением описывается законом Гука, который определяет прямую пропорциональность между напряжением и упругой деформацией. На рис. 2.1 показаны начальные (упругие) участки кривых «напряжение — деформация» при одноосном растяжении и кручении (сдвиге). Наклон каждой из этих кривых, т.е. коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение и деформацию, характеризует модуль упругости ?

Механизм упругой деформации металлов состоит в обратимых смещениях атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Чем больше величина смещения каждого атома, тем больше упругая макродеформация всего образца. Величина этой упругой деформации в металлах не может быть большой (относительное удлинение в упругой области обычно меньше 0,1%), так как атомы в кристаллической решетке способны упруго смещаться лишь на небольшую долю межатомного расстояния. Физический смысл модулей упругости как раз и состоит в том, что они характеризуют сопротивляемость металлов упругой деформации, т.е. смещению атомов их положений равновесия в решетке. Если сравнить два металла, например с разными ? (см. рис. 2.1, а, прямые / и 2), то для примерно одинакового смещения атомов (равной упругой деформации) при большем ? потребуется ббльшее напряжение (прямая 1).

Пластическое деформирование — сложный физико-химический процесс, при котором в металлах и сплавах не только изменяется относительное расположение частиц тела, но и протекают процессы распада и образования химических соединений. При деформировании металлов, вызывающем упругие напряжения, сдвиги внутри кристаллов и повороты одних кристаллов относительно других, повышается свободная энергия металла. Это обусловливает неустойчивость деформированного состояния и вызывает самопроизвольные процессы,

Упругие участки кривых «напряжение — деформация» при одноосном растяжении (а) и кручении (б)

Рис. 2.1. Упругие участки кривых «напряжение — деформация» при одноосном растяжении (а) и кручении (б)

приводящие металл в более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. Общим для всех этих процессов является то, что они ведут к более однородному химическому и физическому состоянию материала. Данные процессы по своей сущности диффузионные или самодиффузиоиные. Важная особенность металлических материалов — их способность к деформационному упрочнению (наклепу) в процессе пластической деформации. В результате изменяются пластические, электрические, магнитные, антикоррозионные и другие свойства металлов и сплавов.

Процессы, происходящие в кристалле при деформации

Рис. 2.2. Процессы, происходящие в кристалле при деформации

При пластической деформации одновременно с упрочнением развиваются процессы противоположного направления — разупрочнение. Развитие их тем значительней, чем выше температура деформирования металла. При достаточно высоких температурах в зависимости от физических свойств металла их скорость может приближаться к скорости процесса упрочнения. В этом случае происходит относительно полное динамическое разупрочнение деформируемого материала.

Значительным событием стало открытие дислокаций, позволившее совершенствовать представления о важнейших механизмах, лежащих в основе современных промышленных процессов обработки металлов давлением. При развитии деформации в отдельных объемах кристалла наблюдаются скопления вакансий (рис. 2.2, а) и дислоцированных атомов. В результате в пространственной решетке либо исчезает определенная часть атомной плоскости, либо возникает дополнительная, простирающаяся на какое-то расстояние. Это приводит к созданию напряжений вокруг скоплений точечных дефектов, что вызывает местную (локальную) деформацию структуры и возникновение дислокаций (рис. 2.2, б). Вокруг дислокаций решетка искажается. Изменения межатомного расстояния носят более или менее упорядоченный характер. Дислокации являются линейными дефектами и могут распространяться па большую (миллионы межатомных расстояний) или малую (несколько межатомных расстояний) длину либо пронизывать кристалл из конца в конец, выходя на его поверхность.

Создание дислокаций — одно из первых явлений, возникающих при пластической деформации.

При передвижении дислокации могут под действием приложенных напряжений порождать новые дислокации, вызывая большое число элементарных скольжений по плоскостям, наиболее густо усеянным атомами, или взаимно уничтожаться.

Схема скольжения одной части кристалла относительно другой вдоль плоскости (1с1 под действием силы Р

Рис. 2.3. Схема скольжения одной части кристалла относительно другой вдоль плоскости (1с1 под действием силы Р

Движение дислокаций может вызывать макропластическую деформацию образца путем скольжения либо двойникования. Конечным итогом такого движения являются сдвиг отдельных частей кристалла относительно друг друга или сдвиг и поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига. Иногда эти два способа формоизменения рассматривают как механизм пластической деформации, хотя на самом деле и при скольжении, и при двойниковании механизмом деформации остается перемещение дислокаций. И все же микро- и макрокар- гины пластической деформации скольжением и двойни- кованием существенно различаются.

Скольжение возникает при больших степенях деформирования и начинается вдоль плоскостей, наиболее благоприятно ориентированных к направлению сдвига (под углом 45° к приложенной нагрузке, рис. 2.3). Затем, по мере увеличения степени деформирования, скольжение распространяется и на менее благоприятно ориентированные плоскости. Следы скольжения видны под микроскопом в виде линий или выступов на образцах, полированных до пластической деформации.

Часто металлы, особенно при динамической нагрузке и низких температурах, деформируются путем двойииковаиия, при котором сдвиги возникают в ограниченном объеме кристалла и на определенную величину. В результате происходит согласованное перемещение группы атомов решетки, входящих в двойник (одной части кристалла), в положение, соответствующее зеркальному отображению исходной (другой) части кристалла (рис. 2.4). Двойники видны под микроскопом и внешне отличаются от линий скольжения болынсй шириной (рис. 2.5).

Схема пластической деформации двойникованием

Рис. 2.4. Схема пластической деформации двойникованием

Двойники деформации в цинке

Рис. 2.5. Двойники деформации в цинке

В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем скольжения. В связи с этим пластическая деформация скольжением будет рассмотрена в первую очередь.

Основную роль в формировании свойств деформированного металла играют температура, скорость и степень деформации, влияющие на процессы упрочнения и разупрочнения. Многочисленные исследования подтвердили, что установление единых закономерностей изменения свойств материала в широком интервале изменения температур и скоростей деформирования невозможно, поскольку сложно учесть различную физическую природу процессов упрочнения и разупрочнения.

В зависимости от степени разупрочнения в процессе деформирования металлов и сплавов С.И. Губкин предложил разделять обработку металлов давлением на холодную пластическую и неполную горячую (теплую) деформации.

При холодной пластической деформации степень упрочнения возрастает. Этот процесс наиболее широко применяется при деформировании высокопластичных металлов и с целью получения изделий с высокими прочностными свойствами. При холодной пластической деформации процессы возврата и рекристаллизации отсутствуют, при постоянной температуре основное влияние на формирование конечных свойств материалов оказывают степень и скорость деформирования. Охрупчивающее влияние низкой температуры оказывается гораздо более сильным, чем действие повышенной скорости деформации.

Линии скольжения — это ступеньки, образующиеся на поверхности в результате выхода дислокаций. Действительно, когда, например, краевая дислокация выйдет на правую грань кристалла, то на поверхности данной грани образуется ступенька, равная по высоте А вектору Бюргерса Ь дислокации (см. рис. 2.3, а). При этом длина ступеньки, т.е. линии скольжения, будет равна длине вышедшей на поверхность краевой дислокации (см. рис. 2.3, б). Легко представить, что вышедшая одним концом на поверхность винтовая дислокация при своем движении также образует ступеньку, длина которой будет соответствовать длине пробега дислокации (см. рис. 2.3, б). Конечно увидеть ступеньку, образующуюся в результате выхода на поверхность одной дислокации, очень трудно. Но когда при скольжении в одной плоскости на поверхность выходит несколько дислокаций и высота ступеньки А достигает нескольких нанометров и более, их уже можно наблюдать при электронно-микроскопическом анализе реплик с предварительно отполированной поверхности деформированного образца. После значительной деформации высота ступенек становится настолько большой, что их можно выявлять в световом микроскопе.

Анализируя расположение линии скольжения, расстояние между ними, их высоту, можно составить не только качественное, но и количественное представление о картине и величине пластической деформации. Узнав с помощью рентгеноструктурного анализа кристаллографическую ориентировку анализируемой поверхности образца, по направлению линий скольжения определяют плоскости и направления скольжения.

При неполной горячей (теплой) деформации (0,2—0,5)ГПЛ происходят процессы возврата и частично — рекристаллизации, причем степень упрочнения материала снижается. Поэтому при отсутствии особых требований к прочностным свойствам предпочтение отдают теплой деформации, при которой одновременно осуществляются частичная рекристаллизация и упрочнение. Поскольку процесс рекристаллизации происходит не полностью, в структуре деформированного металла есть как рекристаллизованные равноосные, так и вытянутые зерна. Неполная горячая деформация может наблюдаться либо при температуре начала рекристаллизации, либо при больших скоростях деформирования и малой скорости рекристаллизации. В металлах с высокой температурой рекристаллизации при теплой деформации процесс рекристаллизации может отсутствовать. Однако основным критерием теплой деформации являются процессы отдыха и возврата, вследствие чего остаточные напряжения значительно снижаются. Возврат также способствует уменьшению степени упрочнения и улучшению пластических свойств деформированного металла. В большинстве случаев металл, деформированный теплой прокаткой, имеет полосчатую структуру без следов рекристаллизации, при значительном деформировании - текстуру деформации.

При горячей пластической деформации (0,5—0,8) Т металл не упрочняется из-за протекания основных процессов разупрочнения — возврата (отдыха) и рекристаллизации. С ростом температуры деформирования пластичность металла повышается, но пластическая деформация ие сопровождается заметным упрочнением материала. В более узком диапазоне температур горячей пластической деформации пластичность каждого конкретного металла снижается. Резкое снижение пластичности металла при температурах, выше температуры их рекристаллизации, получило название красноломкости. Оно характерно для железа, никеля, ниобия, меди и других металлов. Его можно подавить повышением скорости деформирования, что связано с угнетением термически активируемых диффузионных процессов и уменьшением вклада зернограничной деформации в общую деформацию металла.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >