1.2 Пластическая деформация. Прочность и пластичность материалов

Пластическая деформация является результатом необратимых смещений атомов. В кристаллических материалах эти смещения происходят путём движения дислокаций. Движение дислокаций может вызвать пластическую деформацию образца путём скольжения, т. е. сдвига отдельных частей кристалла относительно друг друга или сдвига и поворота атомных плоскостей в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига (двойникование). Иногда эти два варианта формоизменения рассматривают как механизмы пластической деформации, хотя и при скольжении, и при двойниковании механизмом деформации является перемещение дислокаций. Доказательством того, что наличие дислокаций определяет прочность кристаллов является то, что в бездислокационном кристалле напряжение сдвига ( теоретическая прочность) должна составлять 0,1G. В этом случае прочность железа при сдвиге должна превышать 700 кгс/мм², а прочность меди 400 кгс/мм². Практически значения напряжений сдвига в монокристаллах железа и меди в 1000 раз меньше. Следовательно, наличие линейных дефектов кристаллической решётки – дислокаций и их поведение определяет такие важные механические свойства как прочность и пластичность.

Показатели прочности и пластичности обычно определяют при испытаниях образцов на одноосное растяжение, так как одноосное растяжение позволяет определить сразу несколько важных механических характеристик материалов.

Методы испытаний на растяжение стандартизованы. В ГОСТах сформулированы определения характеристик, оцениваемых в результате испытания, даны типовые формы и размеры образцов, основные требования к испытательному оборудованию, методика проведения испытания и подсчёта результатов.

На практике для испытаний на растяжение используют образцы с рабочей частью в виде цилиндра и прямоугольного сечения. Между размерами образца должны существовать определённые соотношения. В частности, рабочая длина цилиндрических образцов должна быть не менее , а у плоских . Расчётная длина (короткие образцы) или (длинные образцы), где F₀ – начальная площадь поперечного сечения в рабочей части.

Основным результатом испытания на растяжение является диаграмма нагрузка – удлинение, по которой рассчитывают характеристики механических свойств. Многие из них соответствуют отдельным точкам диаграммы, следовательно, диаграмма в целом служит наиболее полной характеристикой материала. На рис. 3 нанесены характерные точки, по координатам которых рассчитывают прочностные характеристики .

Первая характерная точка на диаграмме растяжения – точка р. Усилие Р_пц определяет величину предела пропорциональности . σ_пц – это напряжение, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука.

Следующая характерная точка на диаграмме растяжения – точка е. Ей отвечает нагрузка, по которой рассчитывают условный предел упругости - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05 %. Таким образом, предел упругости характеризует напряжение, при котором появляются первые признаки микропластической деформации.

Условный предел текучести рассчитывают по нагрузке, которая соответствует остаточному удлинению 0,2 %: . Предел текучести является наиболее распространённой и важной характеристикой сопротивления металлов и сплавов малой пластической деформации.

Рис. 3. Характерные точки на диаграмме растяжения, по которым рассчитывают прочностные характеристики

Плавный переход от упругой к пластической деформации наблюдается при растяжении таких металлов и сплавов, в которых имеется достаточно большое количество подвижных, незакреплённых дислокаций. Напряжение, необходимое для начала пластической деформации этих материалов, оцениваемое через условный предел текучести, определяется силами сопротивления движению дислокаций внутри зёрен и лёгкостью передачи деформации через границы. Однако часто при деформации мягких материалов при растяжении на диаграмме P-ΔL наблюдается площадка текучести, когда пластическая деформация (обычно 0,1-1,0 %) происходит при постоянном усилии. Образование площадки текучести в ОЦК металлах связывают с эффективной блокировкой дислокаций атомами примесей. Поэтому после отрыва дислокаций от облаков примесей они могут скользить некоторое время под действием постоянного напряжения. После прохождения точки s на диаграмме растяжения в образце развивается интенсивная пластическая деформация. Очевидно, что на участке sb происходит деформационное упрочнение (наклёп), которое объясняют увеличением плотности дефектов кристаллической решётки и образованием различных по конфигурации скоплением дислокаций. Удлинение на участке sb равномерно распределяется по расчётной длине образца. Однако в точке b эта равномерность пластической деформации нарушается. какой-то части образца, обычно вблизи концентратора напряжений, который был в исходном состоянии или образовался в процессе растяжения, начинается локализация деформации, т. е. местное сужение поперечного сечения – шейка. Возможность значительной равномерной деформации, т. е. сопротивление началу образования шейки обусловлено наличием деформационного упрочнения.

По максимальной нагрузке P_b рассчитывают условный предел прочности:

. (8)

Все вышеперечисленные прочностные характеристики называются условными, т. к. они определяются отношением соответствующей нагрузки к исходной площади поперечного сечения. Их истинные значения находятся по тем же формулам только с учётом уменьшения площади поперечного сечения образца. Поэтому значение площади будет в каждой формуле различным, соответствующим данной нагрузке.

Для характеристики пластичности материалов при испытаниях на растяжение обычно используют относительное удлинение δ и относительное сужение ψ:

, . (9)

Величина относительного удлинения характеризует в основном способность материала к равномерной деформации, а не предельную пластичность материала. Для характеристики предельной пластичности материала более правильно использовать относительное сужение.

Пластическая деформация требует затраты определённой работы. Эта работа частично рассеивается в виде тепла Q, а часть аккумулируется материалом (латентная энергия) U.

(10)

где

(11)

Удельную работу пластической деформации, т. е. работу, отнесённую к единице объёма расчётной части образца, можно найти так:

(12)

В первом приближении , (13)

где S_T – истинный предел текучести, S_k – истинное сопротивление разрыву, e_k – истинная относительная деформация до разрушения.