5.6. Наклеп

С увеличением степени пластической деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (предел прочности s_В, предел текучести s_0,2 и т.д.) повышаются, а способность к пластической деформации (относительное удлинение d уменьшается (рис.23). Это явление получили название наклепа.

Рис.23.Изменение механических свойств меди (а) и алюминия (б) в зависимости от степени пластической деформации.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность.

5.7. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы)

Большая часть работы (до 95%), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается). Остальная часть энергии аккумулируется в металле в виде повышенной плотности дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.). Такое состояние наклепанного материала термодинамически неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации, после которых происходит возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.

Возврат, полигонизация и рекристаллизация

При нагреве до температур ниже (0,2-0,3) от температуры плавления Т_пл начинается процесс возврата, под которым понимают снятие искажений кристаллической решетки, которые произошли в деформированном образце до нагрева. В процессе возврата происходит уменьшение точечных дефектов и некоторая перегруппировка дислокаций. В результате этого прочность материала понижается, а пластичность увеличивается. Наряду с возвратом может протекать и процесс полигонизации, в результате которого беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя сетку (рис.24) и создавая ячеистую структуру.

Рис.24. Образование дислокационной сетки (полигонизация): а – до полигонизации, б – после полигонизации

При более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться процесс образования новых зерен – рекристаллизация. Температура рекристаллизации Т_рек находится в зависимости от температуры плавления Т_пл: Т_рек = а Т_пл (а – коэффициент, зависящий от степени чистоты металла; у металлов технической чистоты а=0,3-0,4).

Рекристаллизация происходит в две стадии. Схема изменения строения наклепанного металла при нагреве показана на рис.25. Процессы первичной и вторичной рекристаллизации имеют ряд особенностей. При первичной рекристаллизации происходит превращение вытянутых вследствие пластической деформации зерен в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна. Вторичная (или собирательная рекристаллизация) заключается в росте зерен и протекает при более высоких температурах, чем первичная. Возможны три существенно различных механизма роста зерна: 1) зародышевый – состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, которые затем растут; 2) миграционный – состоящий в перемещении границы зерна и в увеличении его размеров; 3) слияние зерен – состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. По какому механизму будет идти рекристаллизационный процесс, зависит от температуры.

Рис.25. Схема изменения строения металла при нагреве

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Дело в том, что в процессе рекристаллизации происходит изменение структуры и, следовательно, свойств материала. При первичной рекристаллизации зерно становится мелким, имеющим равноосную структуру. Так, после первичной рекристаллизации восстанавливается начальная (до деформации) пластичность материала и происходит уменьшение прочностных характеристик. Образование крупных зерен, а также разнозернистой структуры (наличие и крупных, и мелких зерен одновременно) при вторичной рекристаллизации не способствует получению стабильных и высоких свойств материала. Поэтому необходимо регулировать температуру, при которой проходят те или иные процессы рекристаллизации, не допуская возникновения нежелательной структуры, а, следовательно, и свойств.

Резюме

Наличие металлических свойств характеризует так называемое металлическое состояние веществ, обусловленное наличием металлической связи и кристаллическим строением решетки.

цвет, прочность, окисляемость, прокаливаемость, особые свойства

плотность, упругость, растворимость, жидкотекучесть, для эксплуатации

температура вязкость, коррозионная и ковкость,

плавления, пластичность, жаростойкость свариваемость,

электро- и хрупкость обрабатываемость

теплопровод- резанием

ность,

магнитные и др.

свойства

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил.

Твердостью называется сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии.

Упругость – свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.

Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).

Многие механические свойства выражаются через величину напряжений. В механике напряжения обычно рассматриваются как удельные характеристики сил, возникающих в теле под действием внешних нагрузок.

В простейшем случае осевого растяжения стержня определяются как

S=P/F,

где S - напряжение в сечении площадью F, перпендикулярном оси образца, вдоль которой действует сила P.

Размерность МПа или кгс/мм² (1 кгс/мм² =9,8 МПа).

В общем случае сила не перпендикулярна плоскости площадки, на которую она действует. Процессы при деформации и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза) и нормальными (разрушение отрывом).

Нормальное напряжение в сечении F_a

S=(P/F₀ )cos² a,

а касательное

t= (P/F₀ )cos a sin a = ½ (P/F₀) sin 2a.

Максимальные нормальные растяжения возникают при a =0 , а максимальные касательные напряжения - при a=45⁰.

Нормальные напряжения делят на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные); а также на условные и истинные. Истинные напряжения будем обозначать символами S (нормальные) и t (касательные), а условные - s и t соответственно.

Для оценки напряжений, действующих в любом сечении тела, используется тензор напряжений.

Совокупность трех нормальных (S_x ,S_y , S_z) и шести касательных (t_{xy ,}t _{xz ,} t _{yz ,} t_{zy ,} t _{zx ,}t _yx) напряжений - есть тензор напряжений, который записывается как

Под действием внешних нагрузок происходит деформация, в результате которой могут изменяться форма и размеры тела. Деформации, исчезающие после снятия напряжений, называют упругими, а сохраняющиеся после прекращения действия внешних напряжений – остаточными. Остаточная деформация, происходящая без разрушения, называется пластической.

По результатам механических испытаний оценивают различные характеристики упругой, а чаще остаточной деформации. Наиболее широко используют следующие характеристики деформации: удлинение (укорочение), сдвиг и сужение (уширение) образцов. Эти величины могут также быть относительными или истинными.

Результаты механических испытаний в значительной мере определяется схемой напряженного состояния, которая задается в образце условиями его нагружения. Всего существует 8 схем.

Зависимость между деформациями и напряжениями выражается кривой деформации - напряжения. С помощью нее можно определить основные прочностные характеристики материала.

Классификация механических испытаний

- по схеме напряженного и деформированного состояния (см. табл.1),

- по характеру нагружения образца (статические, динамические и циклические),

- испытания на твердость,

- испытания на ползучесть и длительную прочность.

Большинство характеристик механических свойств металлов не является физическими константами. Следует соблюдать три вида подобия:

1. геометрическое (форма и размер образца),

2. механическое (схема и скорость приложения нагрузки),

3. физическое (внешние физические условия).

Для конструкционного материала требуется не только высокое сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.

Сопротивление деформации (упругой и пластической) объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению – надежность. Если разрушение происходит не за один, а за несколько актов нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует долговечность материала.

С увеличением степени пластической деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации повышаются, а способность к пластической деформации. Это явление получили название наклепа.

В зависимости от температуры при нагреве в материалах происходят процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации.

Рекристаллизация делится на две стадии - первичную и вторичную (собирательную).

Вопросы для повторения

1. Назовите основные свойства металлов и сплавов.

2. Какие механические свойства материалов Вы знаете? Охарактеризуйте их.

3. Что такое напряжение и деформация? Как они выражаются в общем случае?

4. Дать определение тензору напряжений и тензору деформаций.

5. Что такое нормальные и касательные напряжения и как они выражаются?

6. Что такое условные и истинные значения напряжений и деформаций?

7. Какие деформации называют упругими, а какие остаточными?

8. Объяснить механизм пластической деформации.

9. Дать классификацию механическим испытаниям.

10. Какие условия подобия необходимо соблюдать при проведении механических испытаний?

11. Что такое наклеп?

12. Объяснить процессы, проходящие при нагреве металла (возврат, полигонизация, рекристаллизация).