2 Механизм пластической деформации

2.1 Холодная деформация поликристалла

Обработку металлов давлением осуществляют преимущественно при высоких температурах, используя снижение сопротивления деформации при повышении температуры. Однако в ряде случаев необходимо обрабатывать металлы давлением в холодном состоянии, не смотря на то, что для этого требуются большие усилия и большой расход энергии. В холодном состоянии обрабатывают давлением металлы и сплавы в следующих случаях:

1) когда сечения обрабатываемого металла малы, из-за большого отношения поверхности к объему охлаждения происходит так быстро, что практически невозможно обеспечить высокую температуру в зоне деформации (прокатка тонких листов, листовая штамповка)

2) при волочении, когда усилие, необходимое для деформации, определяется прочностью выходящего из волоки конца изделия, а повышение температуры снизит как сопротивление металла деформации, так и прочность выходящего конца;

3) для повышения прочности наклепом, особенно чистых металлов и однофазных сплавов, увеличить прочность которых термической обработкой невозможно;

4) для придания специальных физических, в частности магнитных, свойств;

5) для получения изделий повышенной точности размеров и высокого качества поверхности, что невозможно обеспечить при горячей обработке давлением.

Эксперименты с монокристаллами нужны для выяснения механизма деформации в поликристаллическом металле.

Однако при изучении деформации поликристаллов возникают трудности в перенесении данных, полученных на монокристаллах. Основные отличия в условиях деформации монокристаллов и поликристаллов заключаются в том, что в поликристалле зерна взаимодействуют друг с другом и не могут деформироваться свободно; между зернами имеются границы, вблизи которых свойства зерен отличаются от внутренних частей. Деформация поликристалла осуществляется в результате деформации каждого отдельного зерна и перемещения, поворота зерен относительно друг друга.

Первый механизм называют внутрикристаллитной деформацией, а второй – межкристаллитной.

Рассмотрим особенности внутрикристаллитной деформации. Зерна, как и монокристаллы, пластически деформируются скольжением и двойникованием.

В отличие от монокристалла в поликристалле в результате взаимодействия зерен напряженное состояние получается не однородным: оно изменяется от зерна к зерну.

Неоднородность напряженного состояния в поликристаллах чистых металлов гомогенных сплавов, когда зерна имеют одинаковый состав и свойства, обусловлена различной ориентировкой зерен.

В отожженном металле зерна своими кристаллографическими элементами расположены хаотически, возможные плоскости скольжения расположены под разными углами к направлению действующей силы.

Рассмотрим схему деформации при сжатии поликристалла, состоящего из различно ориентированных зерен (Рисунок 2). Пересечение возможных плоскостей скольжения с плоскостью чертежа в каждом зерне показано штриховкой.

Рисунок 2 - Схема деформации при сжатии поликристалла

В зернах, плоскости скольжения которых расположены под углом 45˚ к направлению усилия (зерна I), в первую очередь создадутся условия, достаточные для пластической деформации скольжением, так как в этих плоскостях касательные напряжения достигнут максимального значения. В зернах, у которых плоскости скольжения перпендикулярны и параллельны к направлению усилия (зерна II и III), условия для пластического деформирования отсутствуют, так как касательные напряжения на этих плоскостях равны нулю. Зерна, имеющие промежуточную ориентировку плоскостей скольжения, также не будут деформироваться пластически, так как на этих плоскостях касательное напряжение меньше, чем зерна I.

В результат зерна I в первую очередь начнут деформироваться пластически, остальные упруго. При деформации напряжения сжатия пластически сжимаемые зерна I будут передавать остальным зернам дополнительные напряжения сжатия, а упруго деформированные зерна, сопротивляясь деформации сжатия, будут передавать зернам I дополнительные напряжения растяжения.

Для того чтобы деформировать пластически все зерна поликристалла, усилие должно быть повышено.

Неравномерность деформации приводит не только к росту усилия, но и к снижению пластичности из-за возможности появления в отдельных зернах напряжений растяжения при действии внешних сил по схеме всестороннего сжатия.

При анализе влияния ориентировки зерен относительно внешнего усилия на неравномерность напряженного состояния можно установить, что при этом необходимо учитывать не только ориентировку плоскости скольжения но и направление скольжения.

Рисунок 3 – Ориентировка зерен

На рисунке 3а, представлены два зерна с одинаковым углом наклона плоскости скольжения к направлению усилия, но расположенных различно, а на рисунке 3б – те же зерна в плане до деформации. Если бы зерна небыли связаны между собой, то после растяжения их форму в плане можно было бы представить так, как показано на рисунке 3в. Из-за связанности зерен получается форма, показанная на рисунке 3г, то есть деформация и напряженное состояние будут неравномерными.

Степень неоднородности деформации зависит от числа возможных систем скольжения в кристаллах. Чем меньше имеется возможных систем скольжения в кристаллах, тем меньше в них содержится благоприятно ориентированных зерен.

В металлах с гексагональной решеткой только одна плоскость с тремя направлениями скольжения, поэтому в поликристаллическом теле могут встречаться зерна, для которых исключена возможность пластической деформации, когда плоскость скольжения параллельна или перпендикулярна к направлению действующей силы.

В зернах с кубической гранецентрированной и объемно-центрированной решеткой имеется несколько плоскостей и направлений скольжения, поэтому при деформации металлов с кубической решеткой всегда имеются плоскости с благоприятным для скольжения расположением.

Поэтому в поликристаллах металлов с гексагональной решеткой сопротивление деформации значительно выше, а пластичность ниже, чем в монокристаллах. В поликристаллах с кубической решеткой сопротивление деформации и пластичность характеризуется усредненными значениями этих свойств в разных направлениях монокристалла.

На пластичность поликристаллов оказывает влияние не только число возможных систем скольжения, но и их пространственное расположение. Так, системы скольжения в кубической гранецентрированной решетке расположены более благоприятно, чем в объемно-центрированной, при условии скольжения в последней по одной из плоскостей (110), (112), (123).

Условия деформации зерен гетерогенных сплавов усложняются. Кристаллы этих сплавов различаются не только ориентировкой, но и химическим составом, прочностными свойствами и типом решетки. В ряде случаев неравномерность напряженного состояния и вызванное ею снижение пластичности на столько велики, что пластическая деформация становится невозможной. Поэтому пластическую деформацию мало пластичных по природе сплавов рекомендуется осуществлять в однофазной области, выбирая надлежащий температурный интервал обработки давлением в соответствии с диаграммой состояния.

Рассмотрим теперь условия межзеренной деформации. Опыты с растяжением образцов, состоящих из двух, трех кристаллов, показывают что, в близи границ зерна деформируются в меньшей степени, чем в дали от них. На рисунке 4 представлена схема растяжения такого образца .

Рисунок 4 – Растягиваемый образец

Вблизи границы зерен расположены зоны затрудненной деформации. Пограничный слой оказывается более прочным, чем основное тело зерна, благодаря искажению решетки в слоях, примыкающих к границе, а так же благодаря большому затруднению деформации сдвига вблизи границ из-за взаимодействия различно ориентированных зерен.

В поликристалле зоны затрудненной деформации расположены по границам зерен и их упрочняющее действие тем больше, чем больше протяженность границ.

Протяженность границ зависит от числа черен в единице объема поликристалла, то есть от средней величины зерен. Чем мельче зерна, тем больше протяженность границ, относительный оббьем зон затрудненной деформации и сопротивление деформации поликристалла.

Наряду с этим на границе зерен могут быть микро пустоты из-за усадки при кристаллизации и скопления примесей в форме легкоплавких эвтектик, ослабляющих связь между зернами.

Таким образом, металл вблизи границ может быть более и менее прочным по сравнению с телом зерен в зависимости от того, что больше – упрочнение, вызванное искажением решетки в пограничных переходных областях на извилистой поверхности границы, или ослабление, вызванное наличием микро пустот и легкоплавких примесей.

При холодной обработке давлением границы оказываются обычно упрочненными и деформация является преимущественно внутрикристаллитной.

Прочность границ зерен – необходимое условие прочности поликристалла. При слабой связи между зернами прочность поликристалла и его пластичность будут пониженными.