Лекция 3

1.4. Особенности деформации поликристалла.

Выше отмечалось, что плоскости скольжения в отдельных зернах поликристалла произвольно ориентированы в пространстве. При нагружении его пластическая деформация начинается прежде всего в зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения. Остальные зерна при этих напряжениях деформируются лишь упруго. Но при пластической деформации они поворачиваются и также вовлекаются в процесс пластического деформирования. Все зерна при этом вытягиваются в направлении действия нагрузки, образуя так называемую строчную структуру зерен металла. Направленная ориентация зерен создает также соответствующую ориентацию кристаллографических плоскостей. В поликристалле появляется анизотропия свойств. Такая направленная ориентация кристаллографических плоскостей в поликристалле называется текстурой. Листовые изделия с определенной текстурой металла, то есть с большой долей зерен, имеющих одинаковое направление кристаллографических плоскостей, широко используются в производстве, так как текстурованность металла может быть использована для улучшения геометрических и технологических свойств готовых, например, штампованных деталей.

В связи с тем, что разные зерна в поликристалле деформируются по-разному, взаимодействие зерен приводит к возникновению дополнительных внутренних напряжений в металле. После разгрузки металла внутренние напряжения взаимно уравновешиваются, и в готовом изделии остаются в виде остаточных напряжений. При повторном нагружении они складываются с напряжениями от действующей нагрузки. При их совпадении по направлению и знаку предел текучести достигается при меньших внешних нагрузках, чем положено для данного металла, и разрушение может наступить при меньших внешних нагрузках, чем принято в расчетах.

Взаимодействие основных и остаточных напряжений объясняет и известный деформационный эффект, который называется эффектом Баушингера. Суть его состоит в том, что при нагружении образца нагрузкой одного знака, например, растяжением, получается одно значение предела текучести, а при последующем нагружении его нагрузкой противоположного знака (сжатием) предел текучести снижается. Действительно, благоприятно расположенные зерна при растяжении деформируются сильнее, чем менее благоприятные. При разгрузке металла эта группа зерен получит остаточные напряжения сжатия, а менее деформированные зерна – напряжения растяжения. При последующем сжатии образца остаточные сжимающие напряжения складываются с напряжениями сжатия от нагрузки, и предел текучести будет достигнут при меньших внешних нагрузках.

Пластичность металла также зависит от наличия остаточных напряжений в металле. В отдельных зернах (с растягивающими остаточными напряжениями) пластичность может снижаться, а появление трещин в этих зернах будет началом разрушения всего поликристалла. Следовательно, остаточные напряжения снижают пластичность поликристалла в целом, хотя в некоторых отдельных зернах с сжимающими остаточными напряжениями она повышается.

С наличием остаточных напряжений в поликристалле связаны и такие неблагоприятные явления как релаксация напряжений и ползучесть. Если при растяжении образца отключить растяжную машину, зафиксировав положение захватов и оставив образец под напряжением, то со временем это напряжение начнет падать сначала быстро, а потом с замедлением до некоторого предельного значения. Это явление называется релаксацией. Релаксация сопровождается ползучестью, то есть самопроизвольным медленным удлинением образца под действием имеющихся в нем напряжений. Процессы релаксации и ползучести активизируются с повышением температуры металла. Снижение напряжений при релаксации происходит за счет дополнительного пробега дислокаций, за счет дополнительных взаимных поворотов зерен и т. п., то есть за счет дополнительной деформации металла. Если в готовом изделии имеются статочные напряжения, то с течением времени за счет релаксации они самопроизвольно убывают, разряжаются, приводя за счет ползучести к некоторой деформации и короблению изделия уже на складе. Остаточные напряжения устраняют, как правило, путем отжига металла или за счет правильного выбора режима деформирования.

Отмеченные выше процессы внутрикристаллитной деформации играют решающую роль при формоизменении поликристалла. Меньшее, но достаточно существенное значение имеет также межкристаллитная деформация. Межкристаллитная деформация состоит в смещении зерен одного относительно другого. Химический состав и структура межзеренного вещества, а также отсутствие правильного расположения атомов в пограничных слоях, ограниченные возможности движения атомов в этих слоях и даже наличие в них различных примесей – все это в целом оказывает влияние на характер скольжения дислокаций, то есть на пластичность и прочность поликристалла. Заклинивание зерен при деформации, появление различных обломков, наличие нерастворимых примесей в межзеренном веществе способствует увеличению предела текучести металла, то есть упрочнению поликристалла. Как правило, при этом снижается его пластичность.