4. Деформация и разрушение металлов

4.1. Виды напряжений

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под воздействием приложенных сил. Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-механическими процессами, происходящими в самом теле (например, изменением объема отдельных кристаллов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента). При этом напряжения¹⁾ в случае одноосного растяжения S = P/F.

Сила Р, приложенная к некоторой площадке F, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, по­этому в теле возникают нормальные и касательные напряжения (рис. 21, а). Напряжения могут быть: истинными – когда силу относят к сечению, существующему в данный момент деформации: условными – когда силу относят к исходной площади сечения. Истинные касательные напряжения обозначают t и нормальные S, а условные соответственно τ и σ. Нормальные напряжения подразделяют на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

Рис. 21. Образование нормальных а и касательных напряжений в случае

приложения силы Р к площадке F (а) и эпюры растягивающих напряжений

при различных концентраторах напряжений (б); σ_н – номинальное (среднее)

напря­жение (показано штриховой линией); σ_к – максимальные напряжения

Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектов металла (металлургического, технологического или эксплуатационного происхождения), сквозных отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рис. 21, б). В связи с этим такие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений. Пик напряжений σ_н тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения и чем больше глубина надреза с: , где σ_н – номинальное (среднее) напряжение.

Так как напряжения вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

¹⁾ Понятие напряжение введено для оценки величины нагрузки, не завися­щей от размеров деформируемого тела.

Внутренние остаточные напряжения возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднород­ного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми, или термическими. Кроме того, напряжения появляются в процессе кристаллизации, при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания фазовых превращений по объему. Их называют фазовыми, или структурными.

4.2. Упругая и пластическая деформации металлов

Упругая деформация. Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и обратимое смещение атомов. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сбли­жаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического оттал­кивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вслед­ствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают свою Первоначальную форму и размеры.

Пластическая деформация. При возрастании касательных на­пряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую назы­вают пластической, остается. При пластической деформации не­обратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Схема упругой и пластической деформации металла с кубичес­кой структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 22.

С кольжение в кристаллической решетке протекает по плоско­стям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее.

Рис. 22. Схемы упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига τ: а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и появление пластической деформации, вызванной скольжением при нагружении, больше предела упругости; г – напряжение, обусловливающее появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д – образование двойника

Это объясняется тем, что расстояние между соседними атом­ными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наимень­шая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем сколь­жения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них про­исходит во многих направлениях. Металлы с ГПУ структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим видам де­формации.

Процесс скольжения не следует представлять как одновремен­ное передвижение одной части кристалла относительно другой.

Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряже­ний, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис. 23). При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений в направлении, указанном стрелкой, атомы вблизи ядра дислокации перемещаются справа налево на расстояния (1 → 2; 3 → 4; 5 → 6; 7 → 8; 9 → 10; 11 → 12; 13 → 14; 15 → 16; 17 → 18), значительно меньшие межатомных. Атомы смещаются не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости. Дисло­кации могут переходить с одной плоскости скольжения на другую. Этот переход (переползание, восхождение) осуществляется добав­лением или удалением слоя атомов путем диффузии.

Рис. 23 Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки

единичного сдвига на поверхности кристалла: а – схема расположения дислокаций;

б-г – этапы передвижения дислокации и выхода ее на поверхность;

τ – напряжение сдвига; М-М – плоскость сдвига

Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (рис. 23, б-г), при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька. Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовав­шихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислока­ций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Возможность образования дислокаций в процессе деформации была показана в 1950 г. одновременно двумя учеными – Франком и Ридом, но предсказал ее еще в 1940 г. Я.И. Френкель.

Механизм образования дислокации, по Франку и Риду, заклю­чается в том, что закрепленная в точках А и А₁ дислокация может под действием касательных напряжений испытывать перемещения, показанные на рис. 24. Линия дислокации, разрастаясь, превра­щается в дислокационное кольцо. В то же время обе концевые части спиралей, сливаясь, дают дислокацию А – А₁ в исходном состоянии. Далее под действием напряжений процесс начинается снова дислокация как бы возвращается в начальное положение и т.д.

Если продолжает действовать напряжение σ, то из одного источника могут образоваться сотни дислокаций и прекратиться действие источника может лишь в том случае, когда на пути разви­вающейся петли дислокаций встретится препятствие – новые системы дислокаций, частицы избыточных фаз, границы зерна и т. д.

Н а начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществляется движением дислокаций по одной системе плоско­стей – стадия легкого скольжения (рис. 25). Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значи­тельного роста действующих напряжений (стадия I деформацион­ного упрочнения). После этого начинается стадия множественного скольжения – движение дислокации в двух и более системах. На этой стадии после значительной деформации дислокационная структура металла сильно усложняется и плотность дислокаций («лес» дислокаций) возрастает по сравнению с исходным состоянием на четыре – шесть порядков, достигая 10¹¹ – 10¹² см^-2. Вследст­вие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление их движению сильно возрастает (см. рис. 25) и для их продвижения внешнее напряжение должно резко возрасти (стадия II деформа­ционного упрочнения). Под влиянием все возрастающего напряже­ния развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т. е. скольжение с переходом из одной разрешенной плоскости скольжения в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячеек. Наступает III стадия деформации, когда происходит так называемый динами­ческий возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения (см. рис. 25).

Дислокации, движущиеся в деформированном металле, порождают большое число дислоцированных атомов и вакансий.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, кроме скольжения может осуществляться двойникованием, которое сво­дится к переориентации части кристалла в положение, симметрич­ное по отношению к первой части относительно плоскости, назы­ваемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. По сравнению со скольжением двойникование имеет меньшее значение. В металлах с ГЦК и ОЦК-решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформирования и низких температурах.

Пластическая деформация поликристаллов. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна. Плоскости и направления скольжения в каждом зерне различные. При увеличении внешней силы скольжение первоначально начи­нается в наиболее благоприятно ориентированных зернах, где достигнуто критическое касательное напряжение. Движение дис­локаций, начавшееся в одном зерне, не может переходить в сосед­нее зерно, так как в нем системы скольжения ориентированы по-иному.

Достигнув зерна, дислокации останавливаются. Однако напря­жения от скопления дислокации у границы зерна могут упруго распространяться через границу и привести в действие источники Франка – Рида в соседнем зерне. В этом случае имеет место «эстафетная» передача деформации от одного зерна к другому. Границы зерна тормозят движение дислокаций. Поэтому в поли-кристаллическом металле стадия 1 практически отсутствует, а во 2 стадии деформационного упрочнения – коэффициент упрочнения выше (см. рис. 25).

Первоначально под микроскопом на предварительно полирован­ных и деформированных образцах можно наблюдать следы сколь­жения в виде прямых линий, которые одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен.

П ри большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму (рис. 26, а), после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 26, б). Одновременно c изменением формы зерна внутри него происходит формирование субзерен и увеличение угла разориентировки между ними.

Текстура деформации. При большой степени деформации воз­никает преимущественная ориентация кристаллографических пло­скостей и направлений в зернах. Закономерная ориентация кри­сталлитов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры (текстура деформации).

Ч ем больше степень деформации, тем большая часть кристал­лических зерен получает преимущественную ориентацию (тексту­ру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида дефор­мации (прокатка, волочение и т. д.). Кристаллографическую текстуру не следует отождествлять с волокнистой структурой, волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии меха­нических и физических свойств.

Деформационное упрочнение поликристаллического металла. С увеличением степени холодной (ниже (0,15-0,2) Т_пл) деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_в, σ_0,2, HV и др.) повышаются, а способность к пластической деформации (пластичность δ) уменьшается (рис. 27). Это явление получило название наклепа.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. В результате холодной деформации уменьшаются плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (например, железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость