ТОМД

11

вается вектором Бюргерса. Краевая дислокация – это такая, для которой век-

тор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации. Винтовая дислокация – это такая, для которой вектор параллелен линии дислокации. Краевая + вин-

товая = смешанная дислокация.

Перемещение дислокаций Скольжение дислокации – переход дислокации по одной плоскости

скольжения, который происходит под воздействием внешней силы. Такому переходу способствуют также флуктуации, которые усиливаются с увеличе-

нием температуры металла. Если после одного элементарного акта переме-

щения внешняя нагрузка продолжает действовать, дислокация продолжает движение и выходит на поверхность кристалла (кристаллита). Образуется ступенька. В то же время дислокации другого знака движется в противопо-

ложном направлении. Постепенно часть кристалла смещается относительно другой части. Таков действительный механизм скольжения: «пружинки» раз-

рываются не все сразу, а постепенно.

Расчеты напряжений, необходимых для начала движения дислокации соответствуют результатам экспериментов и подтверждают наличие описан-

ного механизма скольжения.

Переползание дислокации – переход дислокации из одной плоскости скольжения в другую. Переползание является, чаще всего, механизмом пол-

зучести (медленная деформация при сравнительно невысоких внешних нагрузках) и наблюдается при повышенных температурах, т.е. происходит,

главным образом, благодаря усилению флуктуаций.

12

Взаимодействие дислокаций

Две дислокации одного знака отталкиваются друг от друга.

Две дислокации разных знаков притягиваются друг к другу Аннигиляция – это встреча положительных и отрицательных дислока-

ций и их взаимное уничтожение; при этом они должны находиться в одной плоскости скольжения.

Плотность дислокации – число дислокаций в единицу объема.

Дислокация (вакансия), которая препятствует движению другой дисло-

кации, называется дислокационным барьером.

Отрезок дислокации с защемленными концами называется сидячей дислокацией. Концы дислокации могут быть защемлены какими-либо дисло-

кационными барьерами.

Зарождение, или генерация, дислокаций

13

Выход дислокаций на поверхность кристалла или кристаллита и анни-

гиляция дислокаций должны приводить к уменьшению плотности дислока-

ций при пластической деформации. Однако реально наблюдается противопо-

ложный процесс. Следовательно, должен существовать механизм зарожде-

ния, или генерации, новых дислокаций.

В теории дислокаций предложено несколько таких механизмов. Один из них – действие источника Франка – Рида.

Если в кристаллите имеется дислокация с защемленными концами, то при пластической деформации под действием внешней нагрузки ее цен-

тральная часть начинает выгибаться, и в итоге образуется новая дислокаци-

онная петля, а источник сохраняется и продолжает генерировать новые пет-

ли. При этом общая плотность дислокаций увеличивается.

Физический смысл упрочнения металла – при пластической деформа-

ции плотность дислокации увеличивается. Одновременно увеличивается и плотность дислокационных барьеров. Для продолжения движения дислока-

ций требуется увеличение внешнего напряжения; в результате металл прояв-

ляет большую прочность.

14

(n – плотность дислокаций; – сопротивление деформации).

С увеличением плотности дислокации возрастает число аннигиляций и

плотность дислокаций выходит на свое насыщение.

Механизмы пластической деформации монокристалла: скольжение дисло-

каций, переползание дислокаций, миграция вакансий, двойникование.

Механизмы пластической деформации поликристалла такие же, как у мо-

нокристалла плюс межзеренное скольжение, сопровождаемое аккомодацией,

или приспособлением, границ.

При пластической деформации поликристалла каждое зерно вытягивается в направлении наибольшей деформации растяжения, кристаллографические оси этих зерен постепенно поворачиваются и превращаются из равноосных зерен в структуру вида вытянутых зерен. Такая структура называется полос-

чатой, или текстурой, и она начинает проявлять анизотропию.

Кривые упрочнения

Упрочнение металла принято представлять в виде кривых упрочнения,

или кривых истинных напряжений, получаемых испытанием образцов на растяжение. Из курса сопротивления материалов известны кривые растяже-

15

ция; – условное напряжение, получаемое делением текущей силы растя-

жения образца на начальную площадь его поперечного сечения.

1 – кривая упрчнения; 2 – кривая условных напряжений.

Истинная деформация вычисляется следующим образом. Удлинение образца в единицах длины называют абсолютной деформацией, отношение абсолютной деформации к первоначальной длине рабочей части – относи-

тельной деформацией удлинения , отношение абсолютного удлинения к ко-

нечной длине образца – относительным поперечным сужением (его можно вычислить также, поделив абсолютное уменьшение площади поперечного сечения образца на его начальную площадь). При малых деформациях обе характеристики относительной деформации практически совпадают. При больших деформациях, характерных для обработки металлов давлением, вы-

числяют бесконечно малое приращение деформации

,

где l – текущая длина образца, а затем берут интеграл в пределах от началь-

ной длины l0 до конечной длины lк:

∫ .

16

Вначале растяжение образца происходит равномерно по всей длине.

Такая деформация называется устойчивой. Затем деформация сосредоточи-

вается на небольшом участке образца, а в остальных местах прекращается.

Это явление называется локализацией деформации.

Физическая картина локализации выглядит так. Материал начинает де-

формироваться там, где самое слабое место. Площадь поперечного сечения уменьшается, напряжение увеличивается. Но одновременно происходит упрочнение металла, причем эффект от упрочнения превосходит эффект от уменьшения площади поперечного сечения образца, и участок деформации переходит в другое место. Но постепенно интенсивность упрочнения умень-

шается, и наступает локализация деформации. Этот момент соответствует максимуму сила растяжения:

Дальнейшие выкладки показывают, что устойчивая деформация переходит в локализованную при

:

и процесс теряет устойчивость при ει=n.

Явления, происходящие в деформированном металле при нагреве В результате усиления тепловых движений возможна аннигиляция ча-

сти дислокации, металл частично разупрочняется; такое явление называется

17

возвратом, или отдыхом. Границы зерен при этом сохраняются. Возврат начинается при температуре (по абсолютной шкале) Тв=(0,2÷0,3)Тпл [K], где Тпл – температура плавления.

При Тр=0,4Тпл начинается рекристаллизация, т.е. зарождение и рост но-

вых зерен взамен старых. При этом чем больше предварительная деформа-

ция, т.е, чем больше искажена исходная структура, тем больше центров ре-

кристаллизации в единице объема и тем мельче получится зерно. А если структура не будет искажена, то структура не будет рекристаллизована.

При еще большей температуре нагрева металла отдельные зерна начи-

нают расти, поглощая соседние. Такой процесс называется собирательной рекристаллизацией.

Зависимость размера зерна от величины предварительной деформации принято представлять в виде диаграмм рекристаллизации. Поскольку от-

дельные зерна имеют различный размер и неправильную форму, средний размер зерна определяют, подсчитывая число зерен, попадающих в поле зре-

ния микроскопа, которое предполагается известным. Затем делят эту величи-

ну на число зерен и, условно полагая, что форма зерна – шар, находят диа-

метр зерна d.

Участок диаграммы, соответствующий крупному зерну, называется критическими деформациями. При разработке технологии получения ответ-

ственных деталей, особенно работающих при переменных нагрузках, следует избегать критических деформаций. Наоборот, ползучесть деталей меньше,

если зерно крупное.

Диаграмма рекристаллизации

18

Иногда строят объемные диаграммы рекристаллизации, где по оси ор-

динат откладывают температуру нагрева металла, а по оси аппликат – размер зерна. При увеличении температуры характер диаграмм сохраняется, но раз-

мер зерна становится больше.

Горячая деформация При горячей деформации одновременно протекают два конкурирую-

щих процесса: упрочнение в результате пластической деформации и разупрочнение в результате возврата и рекристаллизации, которая в этом случае называется динамической. Поскольку разупрочнение протекает с определенной скоростью, скорость деформации ̇начинает влиять на сопро-

тивление деформации. Математически это влияние часто выражают прибли-

женной зависимостью

( ̇̇) ,

где A, ̇, m – коэффициенты.

19

Виды деформации в зависимости от получаемой структуры. 1.Горячая деформация – рекристаллизация произошла полностью.

2.Неполная горячая деформация – рекристаллизация произошла ча-

стично.

3.Неполная холодная деформация – протекал только возврат.

4.Холодная деформация.

Волокнистая структура При травлении макрошлифов иногда обнаруживается структура,

похожая на волокнистую. Это результат вытравливания загрязнений в метал-

ле. Волокно позволяет судить о технологии штамповки и о качестве металла,

используемого для получения поковок, а также создает в металле некоторую анизотропию.

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

(элементы теории пластичности)

Механика деформируемых твердых тел рассматривает металлы как континиумы, т.е. тела, сохраняющие свои свойства в любом, в том числе бес-

конечно малом, объеме.

20

Напряженное состояние в точке Рассмотрим тело, находящееся под внешней нагрузкой, под воздей-

ствием которой в теле возникает напряженное состояние, и выберем в этом теле некоторую точку А. Проведем через рассматриваемую точку бесконечно малую площадку F, которая ориентирована в пространстве нормалью еди-

ничной длины . Все величины, относящиеся к этой площадке, будем обо-

значать индексом (который называется также адре ом) ν.

На площадку ν действует бесконечно малая сила ̅. Напряжение на

площадке

̅̅̅̅ ̅.

Выберем прямоугольную прямолинейную систему координат (Декар-

тову систему) x1, х2, х3. Направляющие косинусы в этой системе координат

ве тно напряжение в юбой э ементарной п ощадке, проходящей через дан-

н ю точк .