Лабораторная работа Деформация материалов

1.Общие сведения

Процессы деформации и разрушения являются исключительно важными практи- чески 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.

2.Упругая деформация

Поведение металлов при упругой деформации с достаточно хорошим приближени­ем описывается известным законом Гука, который определяет прямую пропорцио­нальность между напряжением и упругой деформацией. На рис. 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 Е.

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 < 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 сравнивать два металла, например с разными Е (см. рис.1, а, прямые 1 и 2), то для примерно одинакового смещения атомов (равной упругой деформации) при большем Е потребуется большее напряжение (пря­мая 2).

Рис. 1. Упругие участки кривых напряжение – деформация при одноосном растяжении (а) и кручении (б)

3.Пластическая деформация

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, 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. Эти процессы по своей сущности диффузионные или самодиффузионные. 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.

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 объёмах кристалла наблюдается скопления вакансий (рис. 2, а) и дислоцированных атомов. В результате в пространственной решётке либо исчезает определённая часть атомной плоскости, либо возникает дополнительная, простирающаяся на какое-то расстояние. Это приводит к созданию напряжений вокруг скоплений точечных дефектов, что в свою очередь вызывает местную (локальную) деформацию структуры и возникновение дислокаций (рис. 2, б). Вокруг дислокаций решётка искажается. Изменения межатомного расстояния носят более или менее упорядоченный характер. Дислокации являются линейными дефектами и могут распространяться на большую (миллионы межатомных расстояний) или маленькую (несколько межатомных расстояний) длину либо пронизывать кристалл из конца в конец, выходя на его поверхность.

Рис. 2 Процессы, происходящие в кристалле при деформации

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.

Движение дислокаций может вызывать макропластическую деформацию образца путём 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 направ- лению сдвига. Иногда эти два способа формоизменения рассматривают как механизм пластической деформации, хотя на самом деле и при скольжении, и при двойниковании механизмом деформации остаётся перемещение дислокаций. И всё же микро- и макрокартины пластической деформации скольжением и двойникованием существенно различаются.

Скольжение возникает при больших степенях деформирования и начинается вдоль плоскостей, наиболее благоприятно ориентированных к направлению сдвига (под углом 45 º к приложенной нагрузке, рис. 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.

Рис. 3 Схема скольжения одной части кристалла относительно другой вдоль плоскости dd под действием силы P

Часто металлы, особенно при динамической нагрузке и низких температурах, деформируются путём двойникования. При двойниковании сдвиги ограниченном объёме кристалла и на определённую величину. В результате происходит согласованное перемещение группы атомов решётки, входящих в двойник (одной части кристалла), в положение, соответствующее зеркальному отображению исходной (другой) части кристалла (рис. 4). Двойники видны под микроскопом и внешне отличаются от линий скольжения большей шириной (рис. 5).

Рис. 4 Схема пластической деформации двойникованием

Рис. 5 Двойники деформации в цинке

В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путём скольжения. Поэтому пластическая деформация скольжением будет рассмотрена в первую очередь.