Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие
.pdf
21
а) б)
Рис. 3.11. Трансляционная дислокация:
а – контур Бюргерса (реальный монокристалл);
б – вектор Бюргерса (идеальный монокристалл)
В идеальном кристалле контур ВСДЕА будет замкнутым прямоугольником, в котором последний из проведенных векторов приходит в
начальную точку В. В реальном металле ВСДЕА не замкнут.
Контур, охватывающий трансляционную дислокацию, будет иметь
разрыв, равный межатомному расстоянию ВА (см. рис. 3.11, а). Чтобы
контур замкнулся, необходимо провести вектор
, который называется
вектором Бюргерса. А сам замкнутый контур в реальной кристалличе-
ской решетке монокристалла называется контуром Бюргерса.
Вектор Бюргерса определяет величину и направление межатомного
смещения, обычно он равен одному межатомному расстоянию и постоянен вдоль всей длины распространения дислокации. В идеальном моно-
кристалле вектор Бюргерса равен нулю (). Вектор Бюргерса явля-
ется константой для всех участков линии распространения дислокации
и остается константой при движении дислокаций. Такое свойство вектора Бюргерса называется инвариантностью вектора Бюргерса. Исходя из инвариантности вектора Бюргерса мы можем говорить, что он характеризует степень нарушения взаимного расположения атомов в реальных металлах по сравнению с идеальным.
Физически вектор Бюргерса определяет:
– направление и расстояние, на которые сместились атомы над
плоскостью скольжения по отношению к атомам, находящимся под
этой плоскостью;
– энергию, накопленную дислокацией, поэтому его ещё называют
вектором мощности.
22
Если смещение дислокации происходит на одно атомное расстояние (на параметр решетки), то такая дислокация называется единичной
дислокацией, или дислокацией единичной мощности.
Аналогичное построение можно провести и для винтовой дислокации. В этом случае вектор Бюргерса перпендикулярен линии краевой
дислокации («l» – линия дислокации, рис. 3.11) и параллелен линии
винтовой дислокации.
Для смешанной дислокации вектор Бюргерса будет составлять с
линией дислокации угол, отличный от 0° или 90°. Он раскладывается на
два составляющих вектора, направленных вдоль линии дислокации и
перпендикулярно к ней.
3.4. Полные и частичные дислокации
Дислокации монокристалла можно разделить на полные и частичные.
Полная дислокация характеризуется вектором Бюргерса, который ра-
вен по модулю расстоянию между двумя смежными атомами на плоскости скольжения в направлении сдвига.
Если вследствие меньших затрат энергии на перемещение движение дислокаций происходит на расстояние, меньшее, чем на вектор
Бюргерса, то эта дислокация называется частичной дислокацией.
Частичные дислокации, которые нарушают закономерность чередования
взаимного расположения атомов монокристалла по слоям (рис. 3.12),
параллельным плоскости скольжения, приводят к образованию
дефектов упаковки.
Рис. 3.12. Смещение атомов по слоям:
b1 – вектор Бюргерса, равный расстоянию между двумя смежными атомами;
b2, b3 – векторы частичного перемещения атомов
23
Так как вектор Бюргерса лежит в неискаженной части кристалла
(в области «хорошего материала»), то он является величиной постоянной.
Из этого свойства инвариантности вектора Бюргерса можно сделать вывод, что дислокация не может оборваться нигде внутри кристалла, а только может выйти:
– на поверхность кристалла;
– на межкристаллическую границу;
– на другую дислокацию или на дефект более общего типа.
Используя понятие вектора Бюргерса, можно классифицировать
типы дислокаций:
– если вектор Бюргерса (перпендикулярен элементу длины дислокации
, то дислокация краевая;
– если вектор Бюргерса ( параллелен элементу длины дислока-
ции
, то дислокация винтовая;
– если вектор Бюргерса (находятся под углом к элементу длины
дислокации
, то дислокация смешанная и может быть разложена на
краевую и винтовую.
3.5. Влияние дислокаций на прочность материала
Каждая дислокация вызывает упругое искажение кристаллической
решетки. Этим она создает вокруг себя силовое поле, характеризующееся в каждой точке касательным (τ) и нормальным (σ) напряжениями
(рис. 3.13).
Рис. 3.13. Распределение напряжений вокруг краевой дислокации
24
Вокруг каждой краевой дислокации располагается восемь областей, при переходе через границу которых меняется знак напряжений.
Когда в это силовое поле одной дислокации попадает другая дислокация, создаются силы притяжения и отталкивания. Одноименные
дислокации, расположенные в одной плоскости, отталкиваются. Разноименные дислокации, расположенные в одной плоскости, притягиваются.
Это влияет на величину напряжений, необходимых для перемещения
дислокаций.
При накоплении дислокаций в одной плоскости скольжения сопротивление сдвигу растет и монокристалл упрочняется, т. е. для перемещения дислокаций необходимо увеличить приложенное напряжение.
Кроме этого, при движении дислокаций, если они имеют большую
плотность, происходит пересечение возможных направлений перемещения дислокаций, которые играют роль «барьеров» для движущихся
дислокаций.
Барьерами, мешающими перемещению дислокаций, являются также
точечные дефекты, концентрация которых постоянно увеличивается при
пластической деформации. К точечным дефектам в монокристалле, вызывающим упрочнение при пластической деформации, можно отнести:
– обособленные вакансии (места отсутствия атомов в узлах кристаллической решетки), возникающие из-за вышедших из положения
равновесия атомов, носящих название дислокационных вакансий;
– атомы примесей;
– границы блоков зерен;
– границы зерен.
Таким образом, упрочнение металла может происходить в результате:
– деформационного упрочнения при холодной пластической деформации, которое описано выше;
– введения примесей (легирование);
– формирования в сплавах обособленных включений в результате
закалки и старения.
Все перечисленное способы упрочнения могут увеличивать прочность материала в 8–10 раз.
Минимальная прочность металла определяется критической плотностью дислокаций, которая равна ρ = 105–107 см-2.
25
Плотность дислокаций в кристалле можно определить как среднее
число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку
S = 1 см2, или как суммарную длину линий дислокаций в объеме
V = 1 см3 по формуле
ρ =
см
-2
,
где l – длина линии дислокации, см; V – объем монокристалла, см3.
Плотность дислокаций изменяется в зависимости от состояния
материала:
– для отожжённых материалов она составляет 106–103 см-2;
– для металлов, полученных холодной пластической деформацией, –
1011–10
12 см2
, что составляет примерно 106 дислокаций в одном кубиче-
ском сантиметре.
Однако наиболее прочными являются идеальные кристаллы, которые не содержат дислокаций и различных включений. Критическое
напряжение сдвига в них можно определить в диапазоне значений:
,
где σ – напряжение, вызывающее сдвиг.
Идеальные кристаллы, не содержащие дефектов, были первоначально созданы в лабораторных условиях. Это нитевидные кристаллы
длиной до 2 мм, толщиной от 0,5 до 20 мкм, так называемые «усы»,
с прочностью:
– для железа σ = 13000 МПа;
– для меди σ = 30000 МПа.
В настоящее время такие монокристаллы еще большей длины создают в условиях невесомости.
Диаграмма на рис. 3.14 характеризует зависимость прочности
монокристалла от количества искажений кристаллической решетки.
Из приведенной диаграммы можно сделать вывод о том, что повышение прочности монокристалла можно получить за счёт сведения
всех искажений кристаллической решётки к минимуму (теоретическая
прочность) или путем увеличения количества искажений в кристаллической решетке (практически реализуемая прочность).
26
Рис. 3.14. Влияние плотности дислокаций на прочность кристалла
В реальных условиях при упрочнении металлов происходит увеличение плотности дислокаций, которая не должна превышать 1015 – 10
16 см-2
.
При более высокой плотности дислокаций прочность металла начинает
падать и происходит его разрушение. Это объясняется тем, что с увеличением плотности дислокаций невозможно добиться равномерного распределения дислокаций в кристалле. В результате этого многие дислокации сливаются друг с другом, образуя трещины.
4. ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
ПОЛИКРИСТАЛЛА
4.1. Возникновение внутрикристаллитной
и межкристаллитной деформации и межзеренное проскальзывание
Существуют 3 вида деформации поликристалла: внутрикристал-
литная, межкристаллитная, межзеренное проскальзывание.
Остаточное формоизменение поликристаллического тела складывается из пластической деформации составляющих его зерен и их относительного смещения. Необходимо отметить, что деформация отдельных зерен может происходить как скольжением, так и двойникованием.
Так как плоскости скольжения в отдельных зернах поликристалла
ориентированы произвольно, то при нагружении тела внешними силами
пластическая деформация начинается не одновременно во всех зернах.
27
Зерна, в которых плоскости скольжения ориентированы благоприятно, совпадают с направлением главных касательных напряжений,
деформируются пластически. Такая деформация называется внутри-
кристаллитной. Остальные зерна деформируются упруго и получают
относительное смещение.
Эти процессы оказывают влияние на возникновение межкристал-
литной деформации, которая характерна для процессов холодной пластической деформации.
Рассмотрим механизм образования межкристаллитной деформации
на примере растяжения образца из однофазного поликристаллического
металла, например, чистого железа (рис. 4.1), состоящего из зерен А, В, С.
Зерна А и В имеют благоприятно ориентированные плоскости скольжения, т. е. расположены под углом 45° к направлению действия приложенной нагрузки.
а) б) в)
Рис. 4.1. Схема движения дислокаций
через смежные зерна поликристаллического металла:
а – начало скольжения в зерне А; б – распространение скольжения на зерно В;
в – форма границ (G) при совместной деформации зерен В, С.
При приложении к телу внешних сил происходит формоизменение
всего образца и отдельных зерен в связи с направленным смещением
дислокаций. Вначале в деформируемом зерне (например, в зерне А)
возникают отрицательные дислокации. При их выходе на поверхность
зерна они образуют ступеньки (рис. 4.1, в). Эти ступеньки, надавливая
на соседнее зерно (например, на зерно В), вызывают концентрацию
энергии на границе двух зерен А и В. Если ступенька достаточно вели-
28
ка, начинает действовать источник дислокаций, который в свою очередь создает новые дислокации в зернах А и В. Это приводит к дальнейшему развитию пластической деформации в этих зернах. Деформация, переходя от зерна к зерну, приводит к деформации даже тех зерен
(например, зерна С), у которых плоскости скольжения неблагоприятно
ориентированы относительно системы внешних сил, т. е. зерен, имеющих плоскости скольжения, расположенные под углом, отличным от 45°,
к направлению действия приложенной нагрузки. В результате развития
такой значительной деформации зерен происходит:
– их перемещение и поворот;
– увеличение длины границы (G) между зернами за счет образова-
ния ступенек.
Возникшая межкристаллитная деформация будет приводить
к внутрикристаллитной, и процесс повторяется. Это возможно, если
концентрация напряжений в области надавливания зерен будет больше
критического значения касательных напряжений (τкр). Такой процесс
характерен для холодной пластической деформации.
При горячей пластической деформации возникает явление, называемое межзёренным проскальзыванием. Причиной возникновения
межзеренного проскальзывания при горячей обработке металлов давлением, при температурах выше 50 % температуры плавления (для сталей
эта температура колеблется в пределах 1100–1300 °С), межзеренные
границы разупрочняются. Поэтому их сопротивление деформации (σS)
снижается до уровня сопротивления деформации самих зерен. Это приводит к значительному сдвигу без разрушения одного зерна относительно другого, т. е. к межзеренным проскальзываниям.
Межзеренное проскальзывание происходит одновременно со свободным движением дислокаций внутри зерен. Благодаря этому уменьшается предел текучести металла при сохранении сплошности поликристалла.
При определенных температурно-скоростных условиях металл
можно привести в состояние сверхпластичности, что на порядок и даже
больше может увеличивать межзеренные проскальзывания.
Сверхпластичность – это состояние материала, имеющего кристаллическую структуру, которое допускает деформации, на порядок
превышающие максимально возможные для этого материала в обычном
29
состоянии. Это свойство некоторых металлов и сплавов мелкозернистой структуры в определенном диапазоне температур сильно деформироваться с деформацией 1000 % и более, без разрушения, образования шейки, трещинообразования под действием относительно
малых нагрузок.
4.2. Критическое напряжение сдвига в поликристалле
Рассмотрим деформацию поликристаллического тела на примере
растяжения стандартного цилиндрического образца (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Схема деформации поликристаллического тела при его растяжении:
Sn – плоскость скольжения;
K
n-1
, K
n+1
– зёрна поликристаллического тела (кристаллиты)
Нагрузим образец силой Р, которая изменяется по линейному закону вида:
Pк = c·t,
где Pк – текущее значение приложенной силы; t – время; с – коэффици-
ент пропорциональности.
При t = 0 и Р = 0 кристаллы находятся в ненапряженном состоянии.
Проведем в образце некоторую произвольную плоскость Sn, наклоненную к оси Z под углом 45°. В этой плоскости будет действовать
максимальное главное касательное напряжение (τ
max
):
τ
max
= 0,5σ,
где σ – нормальное напряжение при линейном напряженном состоянии:
σ =
,
где Fk – текущее значение площади поперечного сечения растягиваемого
образца.
30
При равенстве максимального главного касательного напряжения
(τ
max
) критическому значению касательных напряжений (τкр) в растяги-
ваемом поликристаллическом теле начнется деформация сдвига в соответствующем кристаллите.
Если в кристаллите Кn кристаллографическая плоскость совпадает
с плоскостью скольжения Sn, т. е. расположена под углом 45° к направлению действия приложенной нагрузки, то тогда он будет деформироваться пластически. Но в зернах поликристаллического тела К
n+1
и К
n-1
плоскости скольжения могут составлять с осью действия приложенной
нагрузки угол, отличный от 45°. Тогда в этих плоскостях, соответственно, касательные напряжения τ
n+1
и τ
n-1
будут меньше τкр, следова-
тельно, кристаллиты К
n-1
и К
n+1
будут деформироваться упруго.
Как было указано ранее, внутрикристаллитная деформация в кристаллите Кn вызывает межзеренное проскальзывание, т. е. межкристаллитную деформацию в поликристаллическом теле (в соседних кристаллитах). В результате этого напряжение в кристаллите Кn приведет к
увеличению напряжения в кристаллитах
1п
К
и
1п
К
. Это в свою очередь
приведет к повороту плоскостей скольжения в этих кристаллитах и выравниванию их положения с положением плоскости скольжения в кристаллите Кn.
Для дальнейшей деформации поликристаллического тела необходимо будет постоянно увеличивать приложенную нагрузку Pк. Увеличение приложенной нагрузки будет происходить до тех пор, пока
напряжения во всех кристаллитах этого поликристаллического тела не
достигнут критического значения касательных напряжений (τкр). Начиная с этого момента все кристаллиты начнут деформироваться пластически и произойдет удлинение образца из поликристаллического тела.
Среднюю деформацию всего образца поликристаллического тела
(εср) можно определить по формуле
εср =
,
где l0 – начальная длина образца; lк – конечная длина образца; Δl – изме-
нение длины образца.
Средняя деформация (εср) не равна локальной деформации в каждом отдельном кристаллите. Для определения локальной деформации
выделим в теле три кристаллита (рис. 4.3).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]