ДОНБАСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

О.А. КОВАЛЕНКО

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Для студентов направления 6.050401 «Металлургия»

Специальности 7.05040104 «Обработка металлов давлением»

СПЕЦИАЛИСТ

АЛЧЕВСК

2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. Тема № 1. Разрушение. Физическая природа образования и зарождения трещин. Дислокационный механизм возникновения трещин. Хрупкое и вязкое разрушение. Причины возникновения. Условия перехода от хрупкого к вязкому разрушению.

2. Тема № 2 Неоднородность деформации. Влияние неоднородности на структуру, качество и конечные свойства продукции.

3. Тема № 3. Текстура. Виды и классификация текстур. Причины возникновения. Текстура деформации. Влияние на свойства. Методы устранения текстуры деформации. Текстура рекристаллизации. Влияние на свойства. Методы устранения текстур рекристаллизации.

4. Тема № 4. Физическая природа явления сверхпластичности. Использование явления сверхпластичности при обработке металлов давлением.

5. Тема № 5. Специальные виды обработки металлов давлением. Термомеханическая обработка. Теплая деформация. Структурные превращения при этих видах деформации.

6. Тема № 6. Влияние условий деформации на окончательные свойства продукции. Контролируемая прокатка. Структурные превращения при деформации.

7. Тема № 7. Деформация металлов на машинах непрерывного литья заготовок. Структурные превращения при деформации на МНЛЗ.

8. Тема № 8. Классификация дефектов деформированного металла. Виды дефектов, возникновение которых связано с разрушением. Методы предупреждения их возникновения и способы устранения. Дефекты деформированного металла, возникающие при разных видах обработки металлов давлением. Методы предупреждения их возникновения и способы устранения.

9. Тема № 9. Дефекты деформированного металла, возникающие при обработке на МНЛЗ. Методы предупреждения их возникновения и способы устранения. Способы и методы контроля дефектов деформированного металла.

ВВЕДЕНИЕ

Целью курса „Пластическая деформация металлов” является изучение механизма пластической деформации металлов и сплавов, изменения структуры при деформации, влияния структурных изменений при пластической деформации на механические свойства. Изучение физических процессов, обуславливающих разрушение при пластической деформации, сверхпластичность, образование различного рода текстур. Изучение дефектов деформированной стали, возникающих при различных видах деформации на различных этапах деформирования.

Тема № 1.

Основные понятия о разрушении металлов и сплавов

Металлы и сплавы разрушаются путем образования и распростра­нения трещин. В зависимости от температуры, скорости деформации, структуры металла это происходит по нескольким механизмам. Для реализации разрушения необходима энергия накопленной деформации.

По величине деформации, предшествующей разрушению, разли­чают три вида разрушения: хрупкое, вязкое и квазихрупкое (квази­вязкое). Последнее является промежуточным, так как имеет признаки и хрупкого, и вязкого разрушения.

По структурному признаку выделяют транскристаллитное и интеркристаллитное разрушение. В случае транскристаллитного раз­рушения трещины распространяются через зерна, при интеркристаллитном — они проходят по границам зерен.

Разрушение — это сложный, многостадийный процесс, развиваю­щийся на структурном и атомном уровнях. Условием высокой проч­ности металлов и сплавов, упрочненных деформацией, является вы­сокая плотность дислэкаций, движение которых должно быть затор­можено внутренними барьерами. Последние делят на «жесткие» и «полупроницаемые». Жесткие барьеры способствуют очень большой локализации напряжений, так как совершенно не пропускают дисло­кации. Указанные напряжения могут превысить величину предела прочности и привести к разрушению. К жестким барьерам относятся большеугловые границы, некогерентные частицы второй фазы (не пла­стичные). Полупроницаемые барьеры на определенном этапе не про­пускают дислокации, вызывают их скопление и способствуют локали­зации напряжений. Если эти напряжения приближаются к величине предела прочности, происходит их релаксация путем прорыва дисло­каций. К полупроницаемым барьерам относятся мало и среднеугловые границы, когерентные включения и пластичные частицы второй фазы.

В структурном аспекте зарождение трещин подчиняется строгим закономерностям. Микротрещины образуются лишь после того, как в деформируемом металле разовьется структурное состояние, конкрет­ный вид которого зависит от условий деформации. Зародышевые мик­ротрещины образуются в строго определенных элементах сформиро­вавшейся структуры, а их плотность резко возрастает с увеличением степени деформации. Развитие зародышевых микротрещин обуслов­лено типом структурного состояния металла. Таким образом, разру­шение является структурно-детерминированным процессом.

Разрушение можно представить как следствие двух конкурирую­щих процессов: накопления в ходе пластической деформации внутрен­них напряжений и их пластической релаксации. При действии этих двух процессов

Д

Рис. 2.44. Схемы образования микротрещин

ислокационная и зеренная структуры металла постоянно изменяются, что может привести к критическому состоянию. Кри­тическая структура (структура предразрушения) — это такая структура, которая не может видоизменяться без образования трещин.

Хрупкое разрушение наблюдается тогда, когда ему предшествует совсем небольшая пластическая деформация металла. Этот вид раз­рушения сопровождается минимальным поглощением энергии и про­ходит со скоростью, близкой к скорости звука. Хрупкие трещины возникают в металле, под действием внешних нагрузок. Механизмы их возникновения носят дислокационный характер (рис. 2.44).

Согласно модели Мотта — Стро микротрещины образуются в местах скопления групп краевых дислокаций у границы зерен или неметал­лического включения, в этом случае трещина зарождается в резуль­тате слияния нескольких головных дислокаций скопления (рис. 2.44, а). Расчеты показали, что количество дислокаций в скоплении достигает 10²—10³. Трещина формируется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, если напряжение в месте торможения сдвига достигает значения, примерно равного ³/₄0.

По механизму Коттрелла, если дислокации движутся в двух пе­ресекающихся плоскостях скольжения, например (101) и (101), то в месте их пересечения появляются раскалывающие дислокации по реакции: а/2 [111] -\-а/2 [111] -> а [001]. В результате в плоскости (001), являющейся плоскостью скола, возникает трещина (рис. 2.44, б). Согласно модели Гилмана дислокации могут скапливаться у границы зерна, как на рис. 2.44, а, при этом происходит изгиб полосы сколь­жения и трещина раскрывается в плоскости скольжения.

Механизм Орована основан на пересечении вертикальных дисло­кационных стенок полосами скольжения (рис. 2.44, в). Условиями зарождения трещины могут быть сильная разориентировка субзерен и обрыв субграницы. Трещинообразование возможно в результате торможения двойников, движущихся с высокой скоростью, границами зерен и субзерен (рис. 2.44, г); встречи двойников друг с другом, по­скольку двойники при блокировке их движения способны создавать высокие напряжения.

Дисклинационные механизмы образования трещин аналогичны дис­локационным и проявляются при больших степенях деформации, когда размножение и движение в кристалле дисклинаций приводят к фрагментации кристалла, т. е. к делению его на сильно разориентированные малые области. В результате возможны дисклинационные сбросы. Трещины клиновой формы возникают в стыках фрагментов и распространяются вдоль субграниц.

Условия роста хрупкой трещины определяются критерием Гриффитса: напряжение а в вершине трещины, обеспечивающее ее распространение, должно достичь критической величины согласно выражению

где — удельная поверхностная энергия трещины; с — размер тре­щины. Выражение справедливо для случая упругой деформа­ции металла. Небольшая пластическая деформация, предшествующая хрупкому разрушению, способствует тому, что роль трещины как концентратора напряжений снижается, поскольку в результате пласти­ческой деформации радиус кривизны р_т в вершине трещины увели­чивается. Поэтому потребность в энергии, необходимой для продол­жения распространения трещины, возрастает. Для указанных усло­вий критерий Гриффитса имеет следующий вид:

Здесь — межатомное расстояние.

В процессе разрушения накопленная энергия деформации металла расходуется на образование поверхности разрушения и частично пе­реходит в кинетическую энергию распространяющейся трещины. Хрупкое разрушение или скол металлов осуществляется по опреде­ленным кристаллографическим плоскостям скола в зависимости от типа кристаллической решетки.

Хрупкое транскрисаллитное разрушение может реализоваться сколом и срезом, которые отличаются видом поверхностей разрушения. Поверхность скола имеет кристаллографическую направленность и представляет собой почти гладкие участки с мелкими ступеньками (так называемый «речной узор») (рис. 2.45). Этот рельеф свиде­тельствует о том, что поверхность скола не целиком располагается в одной плоскости, а трещина по сту­пенькам изменяет свое направле­ние и переходит в другие парал­лельные плоскости благодаря встре­че с винтовыми дислокациями или включениями. Поверхность среза волокнистая и не отличается кри­сталлографической направлен­ностью.

Хрупкое интеркристаллитное разрушение проявляется при ослаблении границ зерен металла в ре­зультате скопления на них приме­сей.

Рис. 2.45. Структура поверхности из« лома при хрупком сколе (Х500)

Рис. 2.46. Микропоры (а — 900° С, Х900; б — 600 °С, X 1200) в деформированном железном сплаве и вязкий транскристаллитный излом (в — 600° С, Х900)

Вязкое разрушение происходит после значительной пластической деформации. Оно развивается пу­тем образования и слияния пор в сильно деформированной области шейки образца. Раньше мы пришли к выводу, что неоднородность пластической деформации приводит к локализации деформации и неравномерному упрочнению металла. В результате этого в отдельных областях металлического образца на­пряжения превышают предел прочности металла, что приводит к об­разованию вязких трещин, или микропор (рис. 2.46). Вязкие трещины отличаются от хрупких овальной формой. Поры появляются в местах пересечения плоскостей скольжения друг с другом, с границами зерен и субзерен (рис. 2.46, а), у неметалличе­ских включений (рис. 2.46, б), т. е. в наи­более напряженных участках ячеистой дислокационной структуры.

Рост пор происходит в результате развития пластической деформации в прилегающих областях и выхода дисло­каций на поверхность пор. При растяжении поры растут под углом 45° по от­ношению к внешнему напряжению или параллельно ему, т. е. в направлении ин­тенсивной деформации. В процессе ро­ста поры сливаются и образуют магист­ральную трещину, распространяющую­ся по конусной поверхности через тело зерен, т. е. происходит вязкое транскристаллшпное разрушение.

Рис. 4.47. Влияние температуры на сопротивление разрушению границ сг_гр и тела зерен о₃

Рис. 2.48. Межзеренные трещины в деформированном железном сплаве:

а — 900 °С, X 600; б — 1100 "С, X 1200

Рельеф поверхности излома в случае вязкого транскристаллитного разрушения состоит из лунок (рис. 2.46, в), которые называют чаш­ками, а сам излом — чашечным. Иногда на поверхности излома встре­чаются участки с удлиненными лунками, что объясняется совпаде­нием поверхности разрушения с плоскостью, в которой действуют максимальные касательные напряжения.

При повышении температуры деформации возможен переход от транскристаллитного к вязкому интеркристаллитному разрушению металла. Температура перехода называется эквикогезивной температурой 1_Э, выше которой металл разрушается по гра­ницам зерен, а ниже — по телу зерен (рис. 2.47). При нагреве выше (₃ прочность металла определяется поведением границ зерен, по ко­торым преимущественно происходит деформация в результате разви­тия проскальзывания. Прочность границ зерен выше (ниже) прочности тела зерен при температурах ниже (выше) .

Высокотемпературное интеркристаллитное разрушение происхо­дит в результате образования по границам зерен клиновидных трещин (рис. 2.48). Клиновидные трещины на стыках зерен зарождаются при относительно низких температурах (для железа, например, 900 °С) и высоких скоростях деформации (рис. 2.48, а). Полости на грани­цах наблюдаются главным образом при высоких температурах (дли железа, например, при 1100 °С) и низких скоростях деформации (рис. 2.48, б).

Рис. 2.49. Схемы образования межзеренных трещин

Рис. 2.50. Структура поверхности излома при вязком интеркристаллитном разруше-нии:

а— 1100 "С, X 200; б — 1100 °С, X 1200

Механизмы образования трещин и полостей на границах носят дислокационный характер (рис. 2.49). Трещины клиновидного типа возникают в результате торможения проскальзывания вдоль границ <или субграниц) на стыке трех зерен, обусловленного высокой кон­центрацией напряжений т (рис. 2.49, а). Полости появляются в участ­ках пересечения границы полосой внутризеренного скольжения (рис. 2.49, б), в месте торможения которой на границе образуется порог-ступенька. В результате межзеренного проскальзывания попе­рек ступеньки действуют нормальные напряжения, способствующие зарождению полости.

Клиновидные трещины и межзеренные поры растут в результате межзеренного проскальзывания и выхода зернограничных и внутризеренных дислокаций на их поверхность. Диффузионное развитие межзеренных пор обусловлено движением вакансий к их поверхности. На рис. 2.50 показаны поверхности излома после межзеренного раз­рушения сплава железа при 1Ю0°С, причем видно, что разрушение осуществлялось не только по границам зерен, но и по границам субзерен (фраг­ментов) .

Рис. 2.51. Влияние температуры на предел текучести и сопротив­ление металла хрупкому разру­шению (А. Ф. Иоффе)

Виды хрупкости металлов. Многие ме­таллы и сплавы при высоких температу­рах претерпевают вязкое разрушение, а с понижением температуры разруша­ются хрупко, т. е. обладают низкотем­пературной хрупкостью (хладнолом­костью). Переход от вязкого к хрупко­му состоянию обычно осуществляется в очень узком температурном интервале. Условия перехода можно описать с по­мощью схемы (рис. 2.51), согласно кото­рой материал имеет не зависящее от температуры испытания сопротивление хрупкому разрушению — отрыву S_0Т и сильно уменьшающийся с повышением температуры предела текучести . Точка пресечения линий S_0Т и делит схему на две температурные области (соответственно левее и* правее точки пересечения): хрупкого и вязкого разрушения. Точка пересечения линий соответствует критической температуре хрупко­сти t_кр, ее называют температурой хладноломкости.

Для металлов не существует постоянной температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое. Чем больше скорость деформации и размеры зерен металла, тем выше температура хладноломкости. Переход от вязкого к хрупкому состоянию происходит при ударном нагружении. Увеличение количества примесей, особенно при их скоп­лении на границах зерен, также способствует повышению темпера­туры перехода металла в хрупкое состояние.

Интеркристаллитное разрушение при высоких температурах счи­тают проявлением высокотемпературной хрупкости (красноломкости), так как пластичность металлов в этом случае заметно понижается. Причины ослабления границ зерен могут быть связаны с выделением примесей или новых фаз по границам зерен, оплавлением легкоплав­ких включений, межкристаллитным окислением. Уменьшить склон­ность металлов к высокотемпературной хрупкости можно путем из­мельчения зерен, поскольку в случае большой протяженности границ интеркристаллитное разрушение затруднено.

Интеркристаллитная хрупкость сплавов может проявляться при низких температурах. В основе этого явления лежит специфическое состояние границ зерен, обеспечивающее минимальную энергию раз­рушения металла вдоль границ. Основными причинами интеркристаллитной хрупкости являются образование сегрегации примесей на гра­ницах зерен, а также действие внутренних напряжений в области границ, возникших в результате выделения избыточных фаз на границах.

Примеси могут вызывать не только интеркристаллитную хруп­кость. При высокой плотности дислокаций (декорированных приме­сями) внутри кристаллов, т. е. в случае образования внутрикристаллических сегрегации, проявляется внутрикристаллитная хрупкость. Такой механизм реализуется при разру­шении сплавов, предварительно подвергнутых нейтронному или лазерному облучению.

Вследствие формирования в процессе деформации кристаллогра­фической и структурной текстур может возникнуть анизотропия раз­рушения. Хрупкое разрушение наиболее опасно при расслоении и 45-градусной хрупкости (названной так в связи с распространением трещин под углом 45° по отношению к оси деформации). В этих слу­чаях разрушение локализуется по субграницам, в которых ранее была локализована пластическая деформация. Расслоение возникает в результате вязкого развития трещины вдоль субграниц слоистой, ячеистой дислокационной структуры с разориентировкой около 10°.