Тема № 4. «Основы пластической деформации. Механизм пластической деформации. Наклеп при пластической деформации». Лекция 7

Деформация скольжением, двойникованием. Другие виды деформации: складкообразование, сброс, вторичное скольжение. Пластическая деформация монокристаллов с ГЦК, ГПУ и ОЦК решетками. Три стадии упрочнения: стадия легкого скольжения, линейного упрочнения и параболического упрочнения. Деформационное упрочнение поликристаллов. Влияние скорости деформации, легирования на процесс деформации. Особенности деформации углеродных и легированных сталей.

При увеличении степени пластической деформации металла или сплава с любым типом кристаллической решетки плотность дислокаций непрерывно увеличивается, – увеличивается и прочность металлов и сплавов. Если в исходном недеформированном металле или сплаве плотность дисло­каций составляет 10^-10 см^-2, то после больших степеней деформации она достигает 10^-10 см^-2.

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ С ГЦК, ГПУ И ОЦК РЕШЕТКАМИ

Рассмотрим упрочнение ГЦК монокристаллов на примере типичной кривой напряжение – деформация. На этой кривой четко выражены три стадии деформации.

Начальный участок кривой, характеризующийся более высоким ростом напряжений, связан с упругой деформаций (рисунок 35).

Рисунок 35 – Кривая напряжение – деформация для монокристалла с ОЦК решеткой

Стадия I – легкого скольжения – характеризуется малым упрочнением. Деформация развивается при небольшом возрастании приложенного напряжения, так как длина свободного пробега дислокаций велика. На поверхности появляются тонкие параллельные линии, находящиеся на расстоянии (2-3)·10^-4см друг от друга. Величина сдвига в каждом слое скольжения находится в интервале (0,3-0,5)·10^-4 см. Следы скольжения называются линиями Чернова - Людерса. Легкое скольжение осуществляется сначала движением имеющихся дислокаций, а затем дислокаций, генерируемых источниками Франка-Рида в одной благоприятно ориентированной системе скольжения. Движущиеся дислокации выходят на поверхность кристалла. 0днако часть дислокаций может задержаться в кристалле, если они встретят на своем пути препятствие. Такими препятствиями могут быть дислокационные диполи, состоящие из положительных и отрицательных краевых участков, и которые тормозят движущуюся дислокацию.

Существование первой стадии упрочнения установлено на кристаллах алюминия, меди, серебра и никеля. Однако при аналогичных условиях испытания протяженность первой стадии для этих металлов неодинакова. Так, например, первая стадия для кристаллов алюминия продолжается до 4-5%, тогда как для меди деформация может превышать 20%. Это можно объяснить большей прочностью межатомной связи у меди, чем у алюминия. Это и определяет коэффициент упрочнения Q₁- на стадии легкого скольжения. Средняя плотность дислокаций на этой стадии составляет 10⁸ cм^-2.

Легкое скольжение заканчивается, когда плотность дислокаций на первичной системе скольжения становится критической.

Стадия II – линейного упрочнения, характеризуется коэффициентом упрочнения Q₂ примерно в 10 раз большим, чем Q₁. На этой стадии активизируются источники дислокаций во второй системе скольжения и происходит скольжение в пересекающихся плоскостях и множественное скольжение (рис.36, 37)

Рисунок 36 – Скольжение в пересекающихся плоскостях в никеле

Рисунок 37 – Множественное скольжение в алюминии

Множественное скольжение в пересекающихся плоскостях приводит к взаимодействию дислокаций, их пересечению, появлению сидячих дислокаций Ломер-Котрелла (рис.38 а, б)

Барьер Ломер-Котрелла

τ

III

а б

Рисунок 38 – Образование барьеров Ломер – Коттрелла. а) – схема микро структуры; б) – фотография микроструктуры

На дислокациях появляются пороги, тормозящие их движение. Дислокации скапливаются, образуют клубки, в которых они распределены хаотически. Такие дислокации называют дислокациями «леса».

Дислокационные клубки преобразуются в устойчивые регулярные сетки. Эти сетки представляют собой стенки ячеек, в которых плотность дислокаций высока (около 10 см^-2). Они разбивают кристалл на участки, сравнительно свободные от дислокаций. Такая дислокационная структура называется ячеистой.

В процессе развития второй стадии упрочнения плотность дислокаций постепенно увеличивается, чем их больше, тем выше степень разориентировки ячеек. Угол разориентировки составляет 2–3º, а при больших степенях деформации может доходить до 5–10º. Таким образом, причина упрочнения металла на этой стадии заключается в резком увеличении плотности дислокаций и появлении ячеистой структуры, стенки которой являются препятствием на пути движения дислокаций.

Стадия третья – параболического упрочнения. Характер ячеистой структуры на третьей стадии не изменяется. Происходит увеличение ширины ячеек за счет повышения в них количества дислокаций. Кривая на рисунке 35 становится положе, значит интенсивность упрочнения уменьшается.

На третьей стадии скольжения возникают новые полосы скольжения ступенчатого характера, свидетельствующие о развитии поперечного скольжения винтовых дислокаций. Снижение интенсивности упрочнения, обусловленное перераспределением дислокаций под влиянием высоких напряжений называется «смягчением при наклепе». Случай упрочнения металла с ГЦК решеткой, описываемый кривой на рисунке 35, наблюдается при благоприятной для возникновения легкого скольжения ориентировке. Если кристалл с ГЦК решеткой ориентирован произвольно, в нем сразу начинается множественное скольжение и наступает быстрое упрочнение.

Рассмотренные ранее особенности пластической деформации кристаллов с ГЦК решеткой в равной степени справедливы и для гексагональных кристаллов. Однако для гексагональных кристаллов характерна более выраженная анизотропия. При обычных условиях испытаний наблюдается базисное скольжение (плоскость {0001} кристаллографическое, направление <1120>). При наличии точечных дефектов может начаться призматическое {1010} или пирамидальное {1011} скольжение. Если имеется только базисное скольжение, то пластическая деформация протекает, как 1-я стадия для ГЦК кристаллов. Если же вступают вторичные системы скольжения – это соответствует 2-й стадии упрочнения (рис. 39)

Рисунок 39 – Кривая напряжение - деформация для монокристаллов с ГПУ решеткой

Стадия легкого скольжения в гексагональных кристаллах может достигать 100–200%. В гексагональных кристаллах значительную роль играет двойникование.

Кривая на рисунке 40 типична для монокристаллов с ОЦК решеткой, её можно разбить на четыре стадии: А – микродеформация до предела текучести, В – зуб текучести, С – распространение течения,

D – однородное упрочнение.

При низких температурах и высоких скоростях деформации происходит двойникование и преимущественное скольжение в плоскостях {110} и направлениях <111>. При комнатной и повышенных температурах скольжение наблюдается также в плоскости {112} и {123}. Наличие большого количества плоскостей скольжения облегчает поперечное скольжение, благодаря чему линии скольжения имеют волнистый характер.

Рисунок 40 – Кривая деформационного упрочнения, типичная для ОЦК монокристаллов

В результате дислокационных реакций образуются дислокационные сетки. На последующих стадиях деформации эти дислокации приводят к ячеистой структуре. Множество систем скольжения благоприятствует развитию поперечного скольжения. Поэтому в ОЦК металлах поперечное скольжение начинается на ранних стадиях.