1.2. Виды деформации

Упругая деформация кристаллических тел происходит путем смещения атомов от положения устойчивого равновесия на расстояния, меньшие межатомных, при снятии нагрузки, обеспечивающей упругую деформацию, упругая деформация исчезает.

Пластическая (необратимая) деформация совершается за счет сдвига атомов из одного равновесного положения в другое, при этом перемещения могут быть много большие межатомных расстояний. При таком деформировании ряд атомов меняет «соседей», но разрушенные связи восстанавливаются с новыми соседями (рис. 1.3). В физике кристаллов вычислено, что для разрыва всех связей в кристалле хотя бы в одном сечении, как показано на рис. 1.3, необходимо приложить напряжение порядка 0.1Е, где Е – модуль упругости. Однако, реальная прочность кристаллов в сотни раз меньше теоретической. Физики это различие смогли объяснить, придумав специальные дефекты кристаллической решётки – дислокации. Дислокации обеспечивают не одновременный разрыв всех связей в кристалле, а поочерёдный, как показано на рис. 1.3. С появлением электронных микроскопов, физики экспериментально нашли придуманные дислокации. Движение дислокаций приводит к последовательному разрыву связей между атомами и смещению слоёв металла, которое не исчезает после снятия нагрузки.

Очевидно, что материал, не содержащий дислокаций, будет значительно прочнее, чем имеющий их. Однако реализация такого пути получения прочных металлов натолкнулась на неразрешимые трудности, связанные с возможностью выращивания бездефектных кристаллов. Для повышения прочности в настоящее время используется прямо противоположный путь.

У

Рис. 1.3. Схемы пластического сдвига

становлено, что дислокации взаимодействуют между собой. Особенно сильное взаимодействие наблюдается при перемещении дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения, когда они начинают препятствовать взаимному перемещению. В итоге возникает парадоксальное явление, с увеличением числа дислокаций сопротивление пластическим деформациям возрастает. Поэтому прочность материалов повышают, увеличивая концентрацию деформаций, что иллюстрирует рис. 1.4.

Рис. 1.4. Зависимость предела прочности металла от числа дефектов

в его кристаллической решетке

Таким образом, прочность материала можно повысить путем получения бездефектных кристаллов, либо, наоборот, путем получения кристаллов с максимально возможным числом дислокаций. Первый путь реализуется при получении нитевидных кристаллов («усов»). Например, такие кристаллы железа имеют прочность _В = 3000 МПа, а техническое железо только _В = 300 МПа. Второй путь реализуется с помощью термической обработки стали или холодного пластического деформирования, при которых плотность дислокаций в 1 см³ возрастает с 10⁷ в отожженном металле до 10¹². Например, при закалке углеродистой стали ее твердость возрастает в 2,5 ... 3 раза, при холодной пластической деформации прочность увеличивается в 1,5 ... 2 раза.

Свойства металлов в значительной степени зависят от величины и формы кристаллитов-зерен, которыми называют кристаллы неправильной формы. Размер и форма зёрен, в свою очередь, зависят от условий кристаллизации из расплава. Чем больше скорость охлаждения, тем выше степень переохлаждения сплава, больше центров кристаллизации возникает одновременно в данном объеме, меньше размеры образующихся зерен, тем больше площадь поверхностных дефектов, большинство из которых являются дислокациями. При этом увеличиваются прочностные свойства и, что особенно важно, с увеличением прочности пластичность не только не уменьшается, но даже значительно увеличивается. Измельчение зерна – один из немногих способов упрочнения, когда пластичность при увеличении прочности растёт. Поэтому, как правило, стремятся получить мелкозернистую структуру. Наиболее простым способом обеспечения этого является высокая скорость охлаждения при кристаллизации. Однако высокую скорость охлаждения можно получить только на тонкостенных отливках, а на крупных слитках, которые используются в металлургическом п

а б

Рис. 1.5. Строение слитка спокойной стали:

а – продольное сечение; б – поперечное сечение;

1 – мелкие равноосные кристаллы, 2 – столбчатые кристаллы (дендриты),

3 – зона крупных равноосных кристаллов

роизводстве (рис. 1.5), такой способ не приемлем.

На рис. 1.5. показаны расположение, форма и величина зерен в слитке стали, которая полностью определяется скоростью охлаждения и направлением отвода тепла.