Пластическая деформация и деформационное упрочнение

Одним из наиболее важных свойств металлов является их высокая пластичность, т.е. способность подвергаться большим деформациям без разрушения. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформации бывают упругими и пластическими.

Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после снятия нагрузки. В основе упругих деформаций лежит обратимое смещение атомов вещества от положений равновесия, в основе пластических деформаций – необратимое.

Деформация может вызываться как действием внешних сил, приложенных к телу, так и различными физико-механическими процессами, возникающими в самом теле (например, фазовыми или тепловыми превращениями). Соответственно различают внешние напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки. Внутренние напряжения, возникающие в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев, называются тепловыми. Напряжения, возникающие в процессе кристаллизации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему называются фазовыми или структурными.

Различают следующие внутренние напряжения:

• напряжения 1-го рода (макронапряжения) – уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей. Они возникают в результате технологических процессов, которым подвергают деталь в процессе ее изготовления и эксплуатации;
• напряжения 2-го рода, уравновешивающиеся в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен), возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упруго напряженном состоянии;
• напряжения 3-го рода, обусловлены смещением атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки и приводят к статическому искажению решетки.

Деформация называется холодной, если она осуществляется при температурах до 0,2 – 0,25 Т_пл, теплой до 0,6 Т_пл и горячей, при температурах выше 0,6Т_пл (Т_пл – абсолютная температура плавления металла или сплава).

Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние (на величину периода кристаллической решетки).

В идеальном кристалле, в котором нет дефектов структуры, в скольжении должны одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Для такого синхронного, «жесткого» сдвига требуется, как показывают расчеты, критическое касательное напряжение

t_к = G/2p» 0,16G, (5.1)

где G – модуль упругости сдвига.

Эту величину t_к называют теоретической прочностью кристалла. В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуются напряжения всего около 10⁴G, что в 1000 раз меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурным несовершенством.

Пластическая деформация является результатом необратимых смещений атомов. В процессе пластической деформации играют роль только касательные (тангенциальные) τ и нормальные σ напряжения; направлены перпендикулярно плоскости скольжения, в пластической деформации практически никакой роли не играют (рис. 5.1).

В кристаллах пластическая деформация в большинстве случаев происходят при движении дислокаций. Движение дислокаций может вызывать макропластическую деформацию образца либо скольжением, либо двойникованием (рис. 5.2). Конечным итогом такого движения дислокаций является сдвиг отдельных частей кристалла относительно других или сдвиг и поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига.

Рис. 5.1. Схема определения касательных напряжений, действующих

в плоскости скольжения: 1 – направление скольжения; 2 – плоскость движения

Деформация скольжением происходит по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Сдвиги атомных плоскостей происходят аналогично сдвигу карт в колоде. Плоскость и направление, по которым происходит сдвиг, называются соответственно плоскостью и направлением скольжения. Плоскость скольжения и направление скольжения образуют систему скольжения. Чем больше в металле систем скольжения, тем выше его способность к пластической деформации.

Рис. 5.2. Схема деформации кристалла: а) скольжением б) двойникованием

Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью. ГЦК кристаллы имеют 12, ОЦК кристаллы – 48 систем скольжения. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой имеют меньшее количество систем скольжения, поэтому они менее пластичны и труднее подвергаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Вторым механизмом пластической деформации металлов и сплавов является двойникование. Как и скольжение, двойникование состоит из сдвига в определенных плоскости и направлении. Но в отличие от скольжения сдвиг происходит не на целый период кристаллической решетки, а лишь на часть, поэтому в результате сдвига ориентировка кристаллической решетки в сдвойникованной области становится зеркальным отображением по отношению к остальной части кристалла. Плоскость, по отношению к которой выполняется зеркальная симметрия, называется плоскостью двойникования, а направление – направлением двойникования.

По сравнению со скольжением двойникование занимает второстепенное положение, деформация при двойниковании всегда меньше деформации скольжения. Роль двойникования возрастает, если скольжение невозможно, или сильно затруднено. В металлах с ОЦК и ГЦК решетками двойникование наблюдается лишь при низких температурах и высоких скоростях деформирования. В металлах с ГПУ решеткой, где немного систем скольжения, деформирование при нормальных условиях сопровождается двойникованием.

Рис. 5.3. Диаграмма «напряжение – деформация»: а – для поликристалла (1 – без площадки текучести, 2 – с площадкой текучести); б – для монокристаллов (1 – ГЦК, 2 – ОЦК; I – легкое скольжение, II – линейное деформационное упрочнение, III – динамический отдых)

С помощью диаграммы «напряжение – деформация» рассмотрим картину холодной пластической деформации скольжением монокристалла и поликристалла (рис. 5.3).

Сначала рассмотрим диаграммы для чистых монокристаллов с ГЦК и ОЦК решетками (рис. 5.3, б). После начала холодной пластической деформации на кривой σ – ε отчетливо различаются три стадии:

1) стадия легкого скольжения, когда малому приращению напряжения соответствует значительное приращение деформации. На этой стадии скольжение происходит из-за перемещения единичных дислокаций, торможение которых происходит только границами зерен;

2) стадия линейного упрочнения, когда связь между приращением деформации и напряжения линейна. Стадия II характеризуется множественным скольжением большого числа дислокаций, упрочнение происходит при образовании барьеров, образующихся при пересечении дислокаций и увеличения их плотности;

3) стадия динамического отдыха. На стадии III приращение напряжения замедляется с ростом деформации, по сравнению со стадией II. Скольжение осуществляется при поперечном скольжении винтовых дислокаций.

Из кривых деформации видно, что уже на стадии II процесса металл упрочняется, так как для продолжения деформации требуется прикладывать все большие усилия. Способность металла к деформационному упрочнению называется наклепом. Деформационное упрочнение обусловлено торможением дислокаций. В монокристаллах чистых металлов дислокации тормозятся из-за силы трения решетки, упругого взаимодействия с другими дислокациями, образованием ступенек при пересечении дислокаций и при образовании точечных дефектов.

В поликристаллах реализуется тот же механизм пластической деформации, что и в монокристаллах. Разница заключается лишь в том, что в монокристаллах при приложении нагрузки весь объем находится в однородном напряженном состоянии, в поликристаллах из-за разной ориентации зерен деформация в них начинается не одновременно и развивается неоднородно.

С ростом степени деформации зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (рис. 5.4). Внутри зерен повышается плотность дислокаций. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом (рис. 5.4, г).

Рис. 5.4. Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации: а – исходное состояние (ε = 0%); б – ε = 1%; в – ε = 40%; г – ε = 80…90%

При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации. Текстура деформации – это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования, кристаллической структуры металла, наличия примесей и условий деформирования.

В первую очередь скольжение идет в благоприятно ориентированных зернах, внутри которых имеется система скольжения, где действуют максимальные касательные напряжения. В этих зернах, если они имеют достаточно большие размеры, некоторое время может наблюдаться типичное легкое скольжение. Однако макроскопическое удлинение образца из-за легкого скольжения практически невозможно, так как благоприятно расположенных зерен обычно мало, и они разобщены. Для деформации всего образца, необходимо участие в деформации большинства зерен, по крайней мере, какой-то сплошной цепочки, простирающейся от одного конца образца до другого. Следовательно, необходимо обеспечить передачу деформации от одних зерен, относительно благоприятно ориентированных, к другим, ориентированных относительно внешней силы менее благоприятно. Это становится возможным, когда дислокации внутри благоприятно ориентированных зерен на начальных стадиях деформации скользят без серьезных помех на большие расстояния и многие из них доходят до границ зерен. Поскольку границы являются эффективным барьером для дислокаций, они скапливаются там. Вокруг скоплений возникают поля упругих напряжений, которые действуют на границы и пограничные к ним участки соседних зерен, в дополнение к приложенным извне напряжениям. Так происходит эстафетная передача деформации в поликристалле. После того как деформация охватит все кристаллиты, внутри каждого из них можно наблюдать уже рассмотренные для монокристаллов три стадии пластической деформации.

Для поликристаллических материалов прямолинейный участок ОА на диаграмме σ – ε характеризует упругую деформацию, криволинейные участки связаны с протеканием пластической деформации (рис. 5.3, а). Если в поликристалле имеются примеси, то для кривых σ – ε характерно наличие зуба текучести, за которым приращение пластической деформации происходит практически мгновенно без повышения прилагаемых напряжений. Наличие зуба текучести обусловлено скоплением атомов примесей вблизи дислокаций и блокированием их перемещения. Некоторое повышение напряжения связано с тем, что отрыв дислокаций от указанных скоплений атомов примесей требует более высоких напряжений, чем последующее их движение в металле.

Наличие в поликристаллах границ зерен и их различная ориентировка приводят к существенному упрочнению поликристаллов в ходе холодной пластической деформации, вызванному скоплением дислокаций у границ зерен.

Неравновесная структура, созданная холодной пластической деформацией, у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. При повышении температуры увеличивается кинетическая энергия атомов, в связи с чем ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества, а, следовательно, для перехода металла в более стабильное состояние.

Дата добавления: 2015-08-13