ЛЕКЦІЇ Матеріалознавство / ЛЕКЦІЯ тема3

3

Тема3

Пластична деформація (1 год)

План

1. Напруження в металі. Пружна і пластична деформація.

2. Фізична природа деформації.

3. Дислокаційний механізм пластичної деформації.

4. Процес деформації в одному кристалі та в полікристалічному металі.

5. Зміна структури і властивостей металів при пластичній деформації.

–1–

Напруження – відношення внутрішніх сил до площі перерізу, на яку сили діють. Складові: нормальне напруження перпендикулярне площі поперечного перерізу, – σ_п, і дотичне –τ

Деформацією називається зміна розмірів і форми тіла під дією прикладених сил.

Пружною називається деформація, яка зникає після того, як навантаження, що її спричинило, знімається.

Пластичною називають деформацію, яка не зникає після навантаження знімається. викликає зміни структури і властивостей металу.

–2–

При пружній деформації відбувається незначне зміщення атомів від положення рівноваги, що порушує баланс сил електростатичного притягання або відштовхування між атомами. Після зняття напруження ці сили повертають атоми на свої місця, відновлюючи форму і розміри тіла.

При збільшенні дотичного напруження відбувається пластична деформація –незворотне зміщення атомів на параметр кристалічної решітки. Порушуються попередні і встановлюються нові міжатомні зв’язки (атоми змінюють сусідів).

При зміщенні шарів решітки на відстань, рівну подвоєному розміру елементарної комірки, міжатомні електростатичні сили зрівноважуються, закріплюючи нову форму і розміри тіла. Отже, в основі процесу пластичної деформації лежить ковзання частин решітки одна по одній вздовж площин ковзання, бо таке переміщення найкоротше та енергетично найменш затратне. Залежність між пружною деформацією і напруженням закон Гука σ =Еε

де Е - модуль пружност і–це величина міцності зв’язку між атомами.

–3–

При пластичній деформації відбувається переміщення атомів вздовж площин ковзання. Щоб воно відбувся, необхідно до решітки прикласти зусилля більші за сили взаємодії між атомами.

У кристалі є додаткова напівплощина (чорні кульки), що закінчується лінією дислокації, розташованою в площині ковзання.

Рис.1. Зсув на один параметр решітки верхньої частини кристала відносно нижньої при переміщені дислокації

Рух групи атомів переміщує дислокацію на одну міжатомну відстань. Потім її переміщують інші групи атомів, поки вона не вийде на поверхню кристала і на грані кристала утвориться сходинка. У площині ковзання розміщені десятки дислокацій, що переміщаються, тому висота сходинки збільшується.

–4–

Існує два механізми пластичної деформації в кристалі: ковзання вздовж кристалографічних площин і двійникування.

Рис.2. Процеси в кристалі при деформації: а - скупчення вакансій; б - виникнення дислокації в місцях скупчення вакансій

При виході дислокованих атомів з вузлів у кристалічній решітці утворюються вільні вузли (вакансії) із спотвореною навколо них решіткою.

У процесі пластичної деформації відбувається скупчення вакансій і утворення дислокацій, що можуть переміщуватися.

Процес деформації в одному кристалі складається із стадій легкого ковзання і множинного ковзання

На стадії легкого ковзання кристала дислокації рухаються в одній системі площин.

На стадії множинного ковзання дислокацій рухаються у декількох системах площин, при цьому виникають нові дислокації та їх густина збільшується.

Двійникування – перехід однієї частини кристала в положення, симетричне іншій частині. При ковзанні найменший зсув рівний періоду кристалічної решітки, а при двійникування - частці періоду. При ковзанні перехід решітки в нове положення відбувається поступово, при двійникування - майже миттєво, тобто ковзання відбувається при статичному навантаженні, а двійникування при ударі. Після цього деформована частина решітки стає дзеркальним відображенням недеформованої частини.

а) б)

Рис.3. Механізм двійникування: а) до прикладання зсуваючої сили; б) після прикладання зсуваючої сили (сірі кульки нове положення кристалічної решітки)

Метали з ОЦК і ГЦК кристалічними решітками деформуються шляхом ковзання, з ГЩУ –ковзання і двійникування.

Пластична деформація полікристалічного металу відбувається за механізмами деформації кристалу (ковзання і двійникування), але зі специфікою. Границі зерен стають перешкодами для руху дислокацій, утворюючи скупчення дислокацій перед собою, що створює поле напружень, яке чинить опір руху дислокацій. Чим більше дислокацій у скупченні, тим сильніше їх відштовхування і важче деформується метал.

У результаті зіткнення рухомих дислокацій з перешкодами, зростає опір ковзанню і для подальшого руху необхідне значно більше дотичне напруження – це явище називається деформаційне зміцнення або наклеп.

При зростанні дотичних напружень пластична деформація починається в менш сприятливо орієнтованих зернах. Зерна витягуються в напрямі дії сили, утворюючи волокнисту структуру, що називається текстура деформації. Волокниста структура надає металу анізотропії. Зокрема, вздовж витягнутих волокон, метал міцніший, ніж поперек.

–5–

Із збільшенням величини деформації властивості, що характеризують опір деформації (σ_в, σ₀₂, твердість), підвищуються, а здатність до пластичної деформації - пластичність (ψ і δ) – зменшується, метал стає крихким.

Рис. Зміна властивостей металу від ступеня деформації: 1 - твердість; 2 - міцність; 3 - пластичність; 4 - в’язкість