2. Физико-механические основы обработки металлов

Металлы и сплавы, подвергающиеся обработке давлением, относятся к поликристаллическим телам, так как они состоят из большого количества связанных между собой кристаллитов или зерен, а внутри каждого зерна атомы металла расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку.

Порядок расположения атомов и тип решетки зависят от рода металла. Для металлов, претерпевающих аллотропические изменения при нагреве и охлаждении, тип решетки зависит также от температуры.

Сущность пластической деформации металла целесообразно рассмотреть прежде всего на примере деформации отдельного мо­нокристалла. Из многочисленных возможных механизмов пластической деформации металлов наибольшее значение имеют скольжение и двойникование (рис.21.1).

Скольжение развивается вдоль определенных кристаллографи­ческих плоскостей, в которых атомы расположены наиболее плот­но и в области которых происходят нарушения правильного расположения атомов в кристаллической решетке.

Исследования процесса скольжения показали, что оно происходит не сразу вдоль всей плоскости скольжения, а развивается постепенно, на­чиная с тех участков, в которых имеются так называемые дислока­ции.

Дислокации представляют собой нарушения правильного расположения атомов или изменения межатомных расстояний. Такие нарушения чаще всего связаны с наличием различных де­фектов в металле и вследствие этого с существованием в металле взаимоуравновешенных напряжений растяжения и сжатия и соот­ветственно увеличенных и уменьшенных межатомных расстоя­ний. Дислокации облегчают и упрощают перемещения атомов в объеме каждого зерна, что необходимо для пластической дефор­мации.

Приложение нагрузки (давления) увеличивает напряжения в теле, вызывает упругую деформацию, которая предшествует плас­тической.

С развитием упругой деформации увеличиваются изме­нения межатомных расстояний, но каждый атом остается еще в непосредственном взаимодействии с окружающими его атомами.

При увеличении нагрузки наступает момент, когда группы атомов начинают перемещаться в определенном направлении (направ­ленное перемещение атомов) вдоль плоскости скольжения.

На рисунке 21.2 представлена схема развития процесса сколь­жения. Когда дислокация возникает у одной грани кристалла (рис. 21.2, б) и затем движется через весь кристалл к его противо­положной стороне, нижняя половина кристалла смещается от­носительно верхней под действием напряжения сдвига на рас­стояние, равное параметру решетки. Такое движение линии дислокации (точка А — проекция этой линии) вызывается дей­ствием относительно малых напряжений сдвига т, приложенных к поверхности кристалла. Причем эти напряжения могут быть на порядок ниже предела прочности.

Рис. 21.1. Механизмы пластической деформации металла:

а — скольжение; б — двойникование

Чтобы вызвать пластическую деформацию кристалла (рис. 21.2, б, д), нет необходимости в одновременном переме­щении всех атомов, лежащих в плоскости II.

Для этого доста­точно изменить взаимосвязь между атомами ядра дислокаций А, В, С. Перераспределение внутриатомных сил в какой-то момент времени будет таким, что связь между атомами В и С ослабнет, а между атомами А и С увеличится. Такое состояние подобно перемещению дислокационной плоскости I из положения А в положение В.

Рис. 21.2. Движение краевой дислокации через кристалл вдоль плоскости скольжения:

а — схема идеального кристалла; б — кристалл с внедренной плоскостью дислокации /; в — кристалл с переместившейся плоскостью дислокации; г— кристалл после перемещения (скольжения) дислокации на край; д— детализированное изображение кристалла с внедрен­ной плоскостью дислокаций, т — напряжение сдвига

Это означает, что только за счет небольших, но согласованных перемещений атомов происходят последователь­ные перемещения линий дислокаций с одного края на другой, что иллюстрирует рисунок 21.2, б, в, г.

В области дислокаций уравновешиваются положительные и отрицательные силы, не­обходимые для движения атомов, которые уже заранее смеще­ны из положений равновесия. Это создает возможность даль­нейшего группового смещения этих атомов под влиянием на­столько малых сил сдвига, которые в другом месте могут выз­вать лишь упругую деформацию.

Постепенным развитием скольжения объясняется тот факт, что экспериментально определяемое сопротивление скольжению во много раз меньше теоретически рассчитанного из условия одно­временного скольжения по всей поверхности.

Таким образом, пластическую деформацию скольжением мож­но рассматривать как движение линейных дислокаций вдоль плоскости скольжения под влиянием малых тангенциальных на­пряжений τ, а не как одновременный сдвиг одной части кристалла относительно другой, для чего потребуется достаточно большое напряжение τ. Причем перемещение дислокации происходит с очень большой скоростью.

Процесс двойникования обычно представляют в виде поворота одной части кристаллической решетки относительно другой (см. рис. 21.1 б). Внутри области двойникования расположение атомов является зеркальным отражением расположения атомов остальной части кристалла. Двойникование не приводит к значи­тельной остаточной деформации. Если помимо двойникования возможно также и обычное скольжение, то скольжение составляет главную часть возможной пластической деформации.

Силы сдвига могут вызвать скольжение в том случае, если, не­смотря на относительное смещение соседних атомов, сцепление между атомами сохраняется. В противном случае вместо развития пластической деформации произойдет разрушение.

Тип кристаллической решетки металла влияет на пластич­ность.

Поликристаллический металл с гексагональной решеткой не претерпевает перед разрывом значительной деформации и име­ет склонность к хрупкому разрушению.

В металлах с гранецентрированной кубической решеткой ни один кристалл не может быть ориентирован так, чтобы скольжение в нем оказалось невозмож­ным, поэтому для таких металлов типична высокая пластичность.

Металлы с объемноцентрированной кубической решеткой по сте­пени пластичности занимают промежуточное место между метал­лами с гексагональными плотноупакованными и гранецентрированными кубическими решетками.

Работа внешних сил, вызывающих упругую деформацию, пер­воначально аккумулируется в теле в виде внутренней потенциаль­ной энергии. По мере накопления энергии в единице объема ве­щества увеличивается упругая деформация. При удалении вне­шних сил тело восстанавливает свои первоначальную форму и размеры, а атомы вновь занимают положение устойчивого равно­весия.

Если до удаления внешних сил в некоторых частях тела на­копилось большое количество энергии, то дальнейшее действие внешних сил приведет к переходу части накопленной в теле по­тенциальной энергии в теплоту; при этом произойдут сдвиги некоторых групп атомов относительно других.

Следовательно, в процессе пластической деформации сначала происходит про­цесс превращения механической работы внешних сил в упругую потенциальную энергию, а затем последняя превращается в теплоту. При этом после разгрузки тела происходит лишь не­большое восстановление его формы, которое соответствует за­пасу потенциальной энергии тела в момент разгрузки (за ис­ключением небольшой доли этого запаса, связанной с остаточ­ными взаимоуравновешенными напряжениями в теле).

При го­рячей деформации упругая деформация при удалении действующих сил столь мала, что ею можно пренебречь. Таким образом, между кинематической и энергетической сторонами пластической деформации монокристалла существует полное соответствие.

При обработке металлов давлением различают деформацию

внутрикристаллитную, т.е. происходящую внутри зерна,

и межкристаллитную, происходящую по границам зерен.

Межкристаллитная деформация (рис. 21.3) осуществляется в результате взаим­ного поворота и скольжением одних зерен относительно других. Степень развития каждого из этих процессов зависит от химического состава сплава (особенно от содержания примесей и вида соединений, в которых они находятся), а также от темпера­туры, поскольку она влияет на соотношение прочностей зерен и прослоек.

Рис. 21.3. Схема развития пластической деформации поликристалла:

а— деформация зерен I...4, плоскости скольжения которых ориентированы под углом 45' к направлению усилия Р; б— поворот и скольжение новых зерен в положение, благоприятное

для деформации; в — зерна, вытянутые в направлении интенсивного течения металла

В процессе обработки металлов давлением деформации обоих видов происходят одновременно.

При холодной обработке давле­нием преобладает внутрикристаллитная деформация,

при горячей — межкристаллитная.

Это объясняется тем, что металл в нагретом состоянии имеет зерна более прочные и менее пластичные, чем их границы.