Раздел 10. Наклеп и рекристаллизация

Тема 10.1. Упругая и пластическая деформация металлов

Д еформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Рис.10.1. Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической. Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений. При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы возвращаются на прежние места, и деформация исчезает. Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рис.10.1.).

Зависимость между упругой деформацией  и напряжением  выражается законом Гука , где: Е - модуль упругости.

Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рассматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле.

Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая обработка или другие способы изменения структуры не изменяют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющее межатомные расстояния, снижает модуль упругости.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация.

Тема 10.2. Механизмы пластической деформации

Рассмотрим пластическую деформацию в монокристалле (отдельный кристалл).

Пластическая деформация протекает под действием касательных напряжений и может осуществляться двумя способами: скольжением или двойникованием.

Рис. 10.2. Схема дислокационного механизма пластической деформации скольжением: а – перемещение атомов при движении краевой дислокации на одно межатомное расстояние; б – перемещение дислокации через весь кристалл

Схема механизма деформации скольжением представлена на рис. 10.2 а. В равновесном состоянии дислокация неподвижна. Под действием напряжения экстраплоскость смещается справа налево при незначительном перемещении атомов. Нижняя часть плоскости РS (SR) сместится вправо и совместится с нижним краем экстраплоскости РQ. QR- остаточная деформация.

При каждом перемещении дислокации на один шаг необходимо разорвать связь только между двумя рядами атомов в плоскости РS, а не между всеми атомами, расположенными выше и ниже плоскости скольжения. Необходимое сдвиговое напряжение при этом мало, равно практически действительному.

При дальнейшем движении дислокация пройдет всю плоскость скольжения и выйдет на поверхность зерна. При этом верхняя часть зерна сдвинута относительно нижней на один межатомный период решетки (рис. 10.2 б).

П лоскостями скольжения являются кристаллографические плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. Это наиболее характерный вид деформации при обработке давлением.

Двойникование – поворот одной части кристалла в положение, симметричное другой его части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования (рис. 10.3).

Рис.10.3. Схема пластической деформации двойникованием

Двойникование чаще возникает при пластической деформации кристаллов с объемно-центрированной и гексагональной решеткой, причем с повышением скорости деформации и понижением температуры склонность к двойникованию возрастает. Двойникованием можно достичь незначительной степени деформации.

Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла.

Деформация поликристалла складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. При нагружении поликристалла внешней силой пластическая деформация сначала начинается в отдельных зер­нах с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей сколь­жения относительно направления действия силы, при которой плоскости скольжения совпадают с направлением действия максимальных касательных напряже­ний, вызываемых внешней силой. По этим плоскостям сколь­жения происходит так называемое легкое скольжение. Сосед­ние зерна с менее благоприятной ориентировкой деформиру­ются только упруго и могут получить относительное смещение или поворот вследствие значительной внутризеренной деформа­ции благоприятно ориентированных зерен.

а б в

Рис. 10.4. Изменение структуры при деформации: а) до деформации; б) после обжатия на 35%; в) после обжатия на 90%

П о мере увеличения деформирующей силы менее благо­приятно ориентированные зерна поворачиваются в направлении действия внешней силы. После стадии единичного (легкого) скольжения начинается стадия множественного скольжения, т. е. движение дислокации в двух и более системах плоскостей скольжения. Касательные напряжения, действующие в менее благоприятных плоскостях скольжения, достигают величины, необходимой для начала пластической деформации этих зерен. Смещения и повороты одних зерен относительно других приво­дят к межкристаллитной деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла. Изменение структуры при деформации показано на рис. 10.4. Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки. Когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.