Основные способы повышения пластичности

Максимальная пластичность используется в целях формоизменения при холодной и горячей обработке давлением.

Для обеспечения максимальной пластичности необходимо, чтобы условия пластической деформации в материале отвечали следующим требованиям:

1. Дислокации должны иметь как можно больше (не меньше пяти) направлений и плоскостей легкого скольжения (систем скольжения), при которых в материале появляется возможность возникновения множественного скольжения, что обеспечивает одновременность и однородность пластической деформации во всем объеме материала, а также передачу пластической деформации от зерна к зерну без нарушения сплошности материала. В случае металлов это возможно для ГЦК и ОЦК решетки. Для технически значимых металлов с ГПУ решеткой наилучшую пластичность проявляет Ti.

2. Плотность подвижных дислокаций должна быть оптимальной (~ 10⁶ см^-2 ), так как при меньшей плотности мало дислокаций участвует в деформации, а при большей взаимодействие дислокаций вызывает их закрепление и образование больших полей растягивающих упругих напряжений, приводящих к разрывам. Здесь следует учитывать размножение дислокаций в процессе холодной пластической деформации, что усиливает их взаимное торможение и соответственно уменьшает пластичность. Поэтому для восстановления пластичности дислокации должны иметь возможность взаимного уничтожения, уменьшающего их плотность. Этот процесс активизируется при температурах существенно больше 0,4 Тпл, в условиях специального нагрева - рекристаллизационного отжига, не только понижающего плотность дислокаций, но и восстанавливающего равноосную зернистую структуру. В результате деформирования при температуре рекристаллизационного отжига (горячая обработка давлением) плотность дислокаций остается оптимальной для обеспечения высокой пластичности.

3. На пути дислокаций должно быть возможно меньше препятствий в вид атомов примесей (особенно атомов внедрения) и твердых частиц, а обход препятствий должен осуществляться за счет легкого перехода в другую плоскость скольжения, что реализуется, если дислокации имеют малое расщепление.

4. Дислокации не должны образовывать больших плоских скоплений около границы зерен, вызывающих концентрацию напряжений, что обеспечивается небольшим размером зерен и отсутствием разнозернистости.

5. На границах и внутри зерен должны отсутствовать протяженные прослойки, богатые элементами, вызывающими охрупчивание.

Материалы высокой технологической пластичности

К материалам, обеспечивающим наиболее высокую пластичность в холодном состоянии (< 0,3 Tпл) относятся:

• малоуглеродистая сталь марки 08Ю (0,07% C, 0,05 % Al) с равнозеренной структурой 7-го балла зернистости (размер зерна ~ 30 мкм), содержащие не более 0,045 % серы и фосфора, легированная алюминием для раскисления и связывания остаточного азота в нитридах (45% деформации до разрыва)

• однофазная латунь Л68, Л72 – сплав меди и цинка при содержании цинка 32, 28% (80% деформации до разрыва)

• однофазная бронза БрОФ6,5 - 0,4 – сплав на основе меди при содержании олова 6,5% и фосфора 0,4% (65% деформации до разрыва)

• однофазная бронза БрА5 – сплав на основе меди при содержании алюминия 5% (65% деформации до разрыва)

• чистый титан (50-70% деформации до разрыва).

При наличии сверхмелкозернистой структуры может реализоваться деформация без упрочнения до 10³ % (сверхпластичность) за счет диффузии и скольжения дислокаций вдоль границ зерен. При этом важно сохранить ультрамалый размер зерен (~ 1мкм), так как температура деформирования около 0,5Tпл способствует их укрупнению. К сплавам такого типа относится сплав Zn c 22% Al, имеющий устойчивую двухфазную структуру твердых растворов, где присутствие часто расположенных мелких частиц тормозит процесс укрупнения зерен.

ушения над материалом совершается работа внешних сил, в результате которой материал поглощает энергию, аккумулируя ее в потенциальной энергии дефектов, и рассеивая, в первую очередь, в виде тепла.

В зависимости от способности поглощать энергию пластического деформирования различают хрупкое и вязкое состояние материалов.

В хрупком состоянии материал деформируется только упруго, после чего наступает разрушение. В этом случае материалы, обладающие как большой так и малой прочностью, но низкой пластичностью имеют малую работу разрушения

Хрупкость – склонность материала к разрушению с минимальной затратой энергии.

В вязком состоянии в процессе деформирования развивается пластическая деформация, поглощающая энергию деформирования. Величина поглощенной энергии определяется как прочностью, так и пластичностью материала.

Вязкость – способность материала поглощать энергию деформирования, преобразуя ее в энергию дефектов и тепло.

Материалы, обладающие высокой прочностью и пластичностью, имеют высокую вязкость, вследствие большой работы деформации и разрушения. При низкой прочности и высокой пластичности вязкость будет мала из за малой работы разрушения.

Конструкционный материал ответственного назначения должен, как правило, обладать высокой прочностью и достаточной пластичностью, чтобы обеспечить необходимую вязкость, так как материалы в хрупком состоянии чувствительны к различного рода концентраторам напряжений. К ним относятся:

• внутренние и внешние трещины,

• включения химических соединений с острыми краями,

• локальные очаги коррозии,

• особенности конструкции детали, включающие резкие изменения жесткости, отверстия, канавки, надрезы, следы механической обработки и т.п.

Анализ влияния трещины на напряженное состояние показал, что на фоне среднего напряжения σ вблизи острия трещины длиной l и радиусом r имеет место увеличение (концентрация) напряжений до σ_к = К · σ, где К = l+2(l/r)^0,5. В случае хрупкого состояния вблизи острия трещины не происходит пластической деформации, и трещина растет под действием даже небольших σ, оставаясь острой (рис а), поэтому мала работа разрушения тела. При вязком состоянии вблизи острия будет развиваться пластическая деформация (рис б), приводящая к росту радиуса трещины, в результате чего трещина для своего роста требует больших приложенных напряжений и, как следствие, при вязком состоянии материала концентраторы напряжений менее опасны.

В случае типичных ионных и ковалентных кристаллов в нормальных условиях проявляется хрупкое поведение, обусловленное высокой жесткостью связей в решетке, затрудняющей зарождение и движение дислокаций.

Важными механизмами поглощения энергии являются также дополнительные виды (моды) пластической деформации: многочисленные завихрения (ротационная мода), двойникование, а также стимулируемые напряжением фазовые превращения.

Основной количественной характеристикой оценки хрупкости и вязкости материала является ударная вязкость – KCU, KCV, KCT, которая определяется при ударном нагружении стандартного образца с концентратором напряжений U-, V-, T (трещино)- образной формы, соответственно.

Ударная вязкость рассчитывается как работа деформации и разрушения образца, приходящаяся на единицу его площади – A/S, где A – работа разрушения, S – площадь образца в сечении концентратора. Приведенные характеристики не являются расчетными, а служат для оценки состояния материала. Основной из них, чаще всего приводимой в справочной литературе, является KCU, суммирующая работу зарождения и роста трещин. Величина KCT включает в основном работу роста трещин и используется реже.

Для оценки влияния температуры на вязкость служит интервал температур вязкохрупкого перехода (t_в – t_х ) или температура t₅₀ , при которой половина площади излома соответствует хрупкому разрушению. Резкий переход от вязкого к хрупкому разрушению (порог хладоломкости) характерен для материалов с ГПУ- (кроме Ti) и ОЦК- решеткой, в частности, для сталей. Оценка вязкости сплавов с ГЦК-решеткой, которые имеют плавное снижение вязкости с уменьшением температуры, производится по температуре t_KCU=0.3, при которой вязкость снижается до критического значения при KCU=0,3 МДж/м².