Пластическая деформация. Механические свойства. Рекристаллизация

Краткие теоретические сведения

Пластической называют такую деформацию, которая не устраняется после снятия нагрузки. Пластическая деформация вызывает необратимые изменения структуры и свойств металла.

В случае осевого растяжения стержня напряжение  в его поперечном сечении определяется отношением действующей (перпендикулярной к сечению) силы Р к площади поперечного сечения F:

(1)

В наклонном сечении растягиваемого стержня вызванные силой Р напряжения можно разложить на две составляющие: нормальное напряжение, перпендикулярное плоскости сечения стержня, обозначаемое , и касательное напряжение, действующее в плоскости сечения, обозначаемое .

Различают условные и истинные напряжения. При расчете условных напряжений силу относят к первоначальной площади сечения детали, а при вычислении истинных напряжений – к фактической для данного момента деформации площади поперечного сечения.

При пластической деформации происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений, когда они превышают определенное критическое значение _кр. Сдвиг может осуществляться путем скольжения или путем двойникования.

При скольжении под действием касательных напряжений происходит перемещение дислокаций по определенным плоскостям (плоскостям скольжения) и вдоль определенных направлений (направлений скольжения), что и приводит к развитию пластической деформации. Движение дислокаций вызывает образование новых дислокаций. С увеличением в металле количества дислокаций прочность растет. Таким образом, упрочнение возникает при создании структуры металла, обеспечивающей минимальную подвижность дислокаций.

Двойникование заключается в сдвиге одной части кристалла в новое положение, симметричное по отношению к другой части кристалла относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.

Упрочнение металла под действием пластической деформации называют наклепом.

Наряду с увеличением плотности дислокаций при пластической деформации растет количество точечных дефектов – вакансий, дислоцированных атомов. Пластическая деформация вызывает изменение микроструктуры поликристаллического металла – при больших степенях деформации зерна вытягиваются в направлении пластического течения, и образуется волокнистая структура.

Любой процесс деформации при увеличении напряжения заканчивается разрушением. Разрушение может быть хрупким (в металлах квазихрупким) и вязким (пластичным). Оба вида разрушения включают в себя две стадии: зарождение трещины и распространение трещины. Переход от вязкого разрушения к хрупкому наблюдается при понижении температуры испытания и называется хладноломкостью. Температура такого перехода называется температурным порогом хладноломкости.

В результате пластической деформации происходит изменение структуры, а, следовательно, и свойств металла. Механические испытания в зависимости от характера изменения и времени действия нагрузки разделяют на статические испытания (на растяжение, сжатие, изгиб, твердость) и динамические (ударный изгиб).

Испытания на растяжение проводят на разрывных машинах на которых с помощью самопишущего устройства получают деформационные кривые (диаграммы) растяжения в координатах нагрузка Р – деформация l (рис.3.1 а).

Рис. 3.1. а – Деформационная кривая растяжения с характерными точками, определяющими силовые характеристики материала; б – схема определения условного предела пропорциональности; в – схема определения условного предела текучести

По характерным точкам диаграммы определяют следующие характеристики прочности:

- предел пропорциональности _пц (наибольшее напряжение, до которого деформация прямо пропорциональна нагрузке, то есть выполняется закон Гука). Порядок определения условного предела пропорциональности с отклонением от закона Гука в 50% – Р_пц50 показан на рис. 3.1 б

(2)

- предел упругости _упр (напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от расчетной длины образца)

(3)

- предел текучести (физический) _т (наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Соответствует площадке текучести на деформационной кривой)

(4)

- условный предел текучести _0,2 (напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца). Порядок определения условного предела текучести _0,2 показан на рис. 3.1 в

(5)

- временное сопротивление (предел прочности) _в (напряжение, при котором достигается наибольшая нагрузка за время испытания, соответствует максимуму на деформационной кривой)

(6)

- истинное сопротивление разрыву S_к (отношение нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения F_к в шейке образца после его разрушения)

(7)

Пластические свойства при испытании на растяжение оценивают по значениям относительного удлинения 

(8)

и относительного сужения 

(9)

образцов после разрыва.

Где l₀ – длина образца до приложения нагрузки, l_к – длина образца после разрушения, F₀ – площадь поперечного сечения образца до приложения нагрузки, F_к – площадь поперечного сечения образца до приложения нагрузки

Твердостью называется сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела. Основными методами определения твердости являются методы внедрения в поверхность испытуемого образца стандартных наконечников из твердых недеформирующихся материалов под действием статических нагрузок: методы Бринелля (НВ, МПа); Роквелла (HRA, HRB, HRC в условных единицах) и Виккерса (HV, МПа).

Испытания на ударный изгиб проводят на приборе, называемом маятниковым копром. Основной характеристикой, получаемой в результате ударных испытаний, служит ударная вязкость, обозначаемая КС. Ударная вязкость – это работа А, израсходованная на ударный излом образца, отнесенная к площади поперечного сечения образца в месте надреза F

КС (10)

При записи ударной вязкости в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза на образце: U, V, T. Размерность ударной вязкости Дж/м².

С повышением температуры (до 0,2·Т_пл) в деформированном металле происходят процессы возврата и рекристаллизации. Возврат протекает в две стадии: отдых и полигонизация. При нагреве до более высоких температур происходит рекристаллизация. Рекристаллизация – это процесс возникновения и роста новых недеформированных зерен. Рекристаллизацию разделяют на первичную (рекристаллизацию обработки), собирательную и вторичную.

Первичная рекристаллизация – процесс образования и роста новых недеформированных зерен за счет окружающих их деформированных зерен. Движущая сила процесса – стремление к минимуму внутренней энергии металла. Наименьшая температура, при которой появляются новые рекристаллизованные зерна, называется температурным порогом рекристаллизации Т_п.р.

Т_п.р. = aТ_пл, (11)

где a – коэффициент, зависящий от чистоты материала; Т_пл – температура плавления материала, К.

Собирательная рекристаллизация – это процесс роста одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рекристаллизованных зерен. Движущая сила процесса – стремление к минимуму зернограничной (поверхностной) энергии.

Вторичная рекристаллизация – это процесс неравномерного роста рекристаллизованных зерен, в результате которого возникает разнозернистая структура. Движущая сила процесса – стремление к минимуму зернограничной (поверхностной) энергии.

С увеличением степени деформации плотность дислокаций в металле повышается, поэтому растет количество зародышей рекристаллизации. Чем больше степень предварительной пластической деформации, тем меньше размер рекристаллизованного зерна.

При повышении температуры нагрева процессы рекристаллизации ускоряются, усиливается рост рекристаллизованных зерен. Чем выше температура и время нагрева, тем больше в итоге размер рекристаллизованного зерна.

Пластическую деформацию разделяют на холодную и горячую. Холодная деформация происходит при температурах ниже температуры рекристаллизации, горячая – при температурах выше температуры рекристаллизации.

Вопросы и задачи по теме

1. Определение напряжения и деформации материала?

2. Напряжения нормальные и касательные, истинные и условные?

3. Какие механические свойства материала выявляются при испытаниях на растяжение?

4. Основные характеристики прочности и пластичности материала.

5. Как определить по машинной кривой растяжения предел пропорциональности, упругости, текучести?

6. Определение ударной вязкости.

7. В каких условиях нагружения могут работать хрупкие материалы типа серого чугуна: при растяжении, сжатии или изгибе?

8. Каков вид поверхности излома, если материал разрушается: хрупко, вязко?

9. Какова размерность твердости, определяемой разными способами?

10. Что характеризует твердость металла, определяемая методами вдавливания в испытуемое тело твердого индикатора?

11. Как изменяется плотность дислокаций при увеличении степени деформации?

12. Чем объясняется упрочнение металла при пластической деформации?

13. Какие процессы происходят при нагреве наклепанного металла, когда температура нагрева выше температуры рекристаллизации?

14. Какие процессы происходят при возврате металла?

15. От чего зависит размер зерна рекристаллизованного металла?

16. Какой обработкой является деформирование железа при 400 ^°С, 800 ^°С?

17. После больших степеней деформации при холодном волочении проволока рвется. Какие нужно применить методы обработки проволоки для достижения нужной степени деформации проволоки?

18. На рис.3.2 приведена диаграмма растяжения в координатах нагрузка Р – удлинение l. Какие характеристики материала можно определить, если известно, что Р_в = 2150 кг, l₀ = 25 мм, l_к = 29 мм, d₀ =4,84 мм, d_к = 4,29 мм.

Рис.3.2. Машинная диаграмма растяжения (масштаб 1 : 2)

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4