Деформация

Виды деформации

К простейшим видам деформации относятся: деформация растяжения, деформация сжатия, деформация сдвига. Выделяют также следующие виды деформации: деформация всестороннего сжатия, кручения, изгиба, которые представляют собой различные комбинации простейших видов деформации (сдвиг, сжатие, растяжение), так как сила приложенная к телу, подвергаемому деформации, обычно не перпендикулярна его поверхности, а направлена под углом, что вызывает как нормальные, так и касательные напряжения. Изучением видов деформации занимаются такие науки, как физика твёрдого тела, материаловедение, кристаллография.

Деформация металла. Упругая и пластическая деформация

Влияние упругой (обратимой) деформации на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия вызвавших её сил (нагрузок), так как под действием приложенных сил происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. Сопротивление металла деформации и разрушению называется прочностью. Прочность является первым требованием, предъявляемым к большинству изделий.

Пластическая деформация, остающаяся после снятия нагрузки, связана с перемещением атомов внутри кристаллов на относительно большие расстояния и вызывает остаточные изменения формы, структуры и свойств без макроскопических нарушений сплошности металла. Пластическую деформацию также называют остаточной или необратимой. Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием.

Пластическая деформация металла. Для металлов характерно большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигу. Поэтому процесс пластической деформации металла обычно представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относительно другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопротивление сдвигу. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется.

Другим механизмом пластической деформации металла является двойникование. При деформации двойникованием напряжение сдвига выше, чем при скольжении. Двойники обычно возникают тогда, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Деформация двойникованием обычно наблюдается при низких температурах и высоких скоростях приложения нагрузки.

Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Источник

13. Упругая и пластическая деформация металлов

13. Упругая и пластическая деформация металлов

Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. 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, скольжение в них происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

БИЧ МЕТАЛЛОВ

БИЧ МЕТАЛЛОВ В мире нет ничего вечного — эту нехитрую истину все знают давно. То, что кажется навеки незыблемым — горы, гранитные глыбы, целые материки, — со временем разрушаются, рассыпаются в пыль, уходят под воду, проваливаются в глубины. Исчезают целые культуры, народы

Свойства металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов В этой главе будет рассказано о металлах, сплавах и их свойствах, что полезно не только для мастеров слесарного дела, но для всех, кто занимается чеканкой, ковкой, художественным литьем (этому посвящены последующие главы).Металл относится к

1. Строение металлов

1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы

1. Деформация и разрушение

1. Деформация и разрушение Приложение нагрузки вызывает деформацию. В начальный момент нагружение, если оно не сопровождается фазовыми (структурными) изменениями, вызывает только упругую (обратимую) деформацию. По достижении некоторого напряжения деформация (частично)

2. Механические свойства металлов

3. Способы упрочнения металлов и сплавов

3. Способы упрочнения металлов и сплавов Поверхностное упрочнение металлов и сплавов широко применяется во многих отраслях промышленности, в частности в современном машиностроении. Оно позволяет получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при

ЛЕКЦИЯ № 8. Способы обработки металлов

ЛЕКЦИЯ № 8. Способы обработки металлов 1. Влияние легирующих компонентов на превращения, структуру, свойства сталей Легирующие компоненты или элементы, вводимые в стали в зависимости от их взаимодействия с углеродом, находящемся в железоуглеродистых сплавах,

ЛЕКЦИЯ № 11. Сплавы цветных металлов

ЛЕКЦИЯ № 11. Сплавы цветных металлов 1. Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современного производства. Медь, алюминий, цинк, магний, титан и другие металлы и их сплавы

32. Деформация в движущейся вязкой жидкости

32. Деформация в движущейся вязкой жидкости В вязкой жидкости имеются силы трения, в силу этого при движении один слой тормозит другой. В итоге возникает сжатие, деформация жидкости. Из-за этого свойства жидкость и называют вязкой.Если вспомнить из механики закон Гука, то

§ 23. Коррозия и эрозия металлов

§ 23. Коррозия и эрозия металлов Коррозией металлов называется их разрушение вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой.Химической коррозией называется процесс разрушения металлов без электрического тока, происходящий в среде сухих

4.16. Химическое окрашивание металлов

4.16. Химическое окрашивание металлов Старинные рецепты. (См. «Наука и жизнь», № 9, 1980).Применяя из старинных журналов некоторые рецепты окрашивания металлов, предупреждаем сразу тех, кто пожелает воспользоваться при работе с такими едкими и ядовитыми веществами, как

7.4.5. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ И РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

7.4.5. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ И РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ Электроосаждение металла на катоде лежит в основе электрохимического получения металлов из растворов (гидроэлектрометаллургия) или из расплавов, а также рафинирования (очистки) металлов.Металлы, имеющие

7.4.7. АНОДНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

7.4.7. АНОДНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Разработано и широко применяется несколько методов анодной обработки металлов: электрополирование, анодное оксидирование и размерная обработка.Электрохимическое полирование было открыто русским химиком Е.И. Шпитальским в 1910 г. Процесс

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины

Источник

Наиболее эффективные технологические процессы обработки металлов и сплавов происходят при их пластическом формоизменении в горячем или холодном состояниях. Для этого необходимо создать внешние силы, под действием которых происходит деформация металла.

Наиболее эффективные технологические процессы обработки металлов и сплавов происходят при их пластическом формоизменении в горячем или холодном состояниях. Для этого необходимо создать внешние силы, под действием которых происходит деформация металла.

Физическая природа деформации металлов

Этот процесс включает в себя упругую и остаточную стадии. Возникающие при этом деформации подразделяются на три группы:

Упругие, т.е., такие, которые полностью исчезают при снятии приложенных внешних сил. Тело при этом приобретает свои первоначальные размеры. Изучением упругих деформаций занимаются теория упругости и сопротивление материалов. Связь между напряжениями и деформациями в этом случае линейна и подчиняется закону Гука.

Упругопластические, которые возникают тогда, когда упругая и пластическая (остаточная) составляющие соизмеримы между собой. Изучение упругопластических деформаций имеет значение для всесторонней оценки запаса прочности металла, поскольку в практике металлообработки такой вид деформации не используется.

Пластические/конечные, при которых упругие изменения формы незначительны, и ими можно пренебречь. Здесь зависимость напряжений и деформаций не носит линейного характера, и зависит от множества факторов.

Любой реальный металл представляет собой совокупность анизотропных кристаллов, ориентация которых произвольна. Поэтому предполагается, что во всех направлениях имеется приблизительно одинаковое количество одинаково ориентированных зёрен. Именно поэтому свойства металла во всех направлениях одинаковы и определяются некоторыми средними значениями. Квазиизотропность металлов облегчает изучение физических основ их деформирования.

Основой для любого изменения формы металла является наличие дефектов в его структуре, прежде всего – дислокаций. С помощью теории дислокаций объясняются механизмы разрушения металла, его кристаллизация, упрочнение/разупрочнение и пр. Ключевым положением теории дислокации является то, что любое изменение формы представляет собой результат перемещения и размножения дефектов в кристаллической решётке. При этом механизм деформации рассматривается на уровне отдельных атомов. Такое представление позволяет анализировать многие физические явления, происходящие в деформируемом теле под нагрузками, при повышенных температурах и т.д.

Упругая деформация

Как уже указывалось, такой вид деформации представляет собой изменение формы материала во времени, которая самопроизвольно снимается после снятия силы или внешней нагрузки. Форма материала изменяется при приложении силы в пределах предела упругости металла, иначе называемого модулем Юнга. Это физическое свойство гарантирует, что эластичные материалы возвращают свои первоначальные размеры после снятия приложенной нагрузки. Здесь деформация обратимая и непостоянная. Упругая деформация металлов обычно наблюдается при малых формоизменениях; их упругое поведение, как правило, линейно.

Упругая деформация включает временное растяжение или искривление связей между атомами кристаллической решётки. Например, при изгибе стального листа все имеющиеся в металле дислокации и связи изгибаются (либо растягиваются) только на несколько процентов, но относительного перемещения атомов при этом не наблюдается. Такая деформация может быть вызвана приложением внешних сил сдвига, которые вызывают соответствующие напряжения растяжения/сжатия.

Наличие упругой деформации материала позволяет всем связям восстанавливаться после напряжения. Но со временем эти свойства ухудшаются, а в некоторых условиях металл может стать хрупким и потерять пластичность. Примером могут служить изменения, которые происходят в олове. При резких температурных колебаниях этот металл становится менее пластичным (известны аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот, которые в Средние Века именовали оловянной чумой). Часто изменения вызываются воздействиями определённых химикатов, снижающих эластические характеристики металлов.

Эластичность (пружинистость) стали повышается при увеличении процентного содержания углерода в ней. Не случайно для производства автомобильных рессор принимают специальные марки сталей, количество углерода в которых не должно быть менее 0,62…0,70 % (ГОСТ 14959-2016). Упругость таким сталям придаёт также повышенный процент марганца и кремния.

Пластическая деформация

Теория дислокаций утверждает, что с приложением нагрузки к реальным кристаллам металла смещение одной части кристалла относительно другой происходит не одновременно по всей площади скольжения. Начинается оно в точке дефекта кристалла и распространяется при значительно меньшем внешнем усилии, чем при одновременном скольжении целого блока атомов. Значительное расхождение между теоретическими и фактическими значениями напряжений (например, для меди оно составляет 1540 МПа и 1 МПа, для железа – 2300 МПа и 29 МПа) объясняется наличием в стали структурных дефектов, около которых сдвиг вначале локализуется, а затем распространяется вместе с самим дефектом с некоторой скоростью.

Дислокации располагаются в наиболее плотноупакованных плоскостях кристаллической решётки. При возрастании нагрузки первыми начинают двигаться дислокации той плоскости скольжения, в которых касательные напряжения максимальны. Для начала пластического течения необходимо, чтобы касательное напряжение превышало критическое значение, величина которого зависит от исходной структуры деформируемого металла. Данное обстоятельство предопределяет необходимость учёта истории деформирования материала, что позволяет определять количественные и качественные параметры процесса пластической деформации.

Виды пластической деформации металлов определяются характером перемещения кристаллов во время приложения усилия. Такое перемещение может происходить скольжением и двойникованием.

Скольжение

Скольжение является основным видом пластической деформации идеального кристалла. Обычно в качестве плоскостей скольжения выступают плоскости с наибольшей плотностью расположения атомов, а направлениями скольжения являются направления, по которым межатомные расстояния имеют минимальное значение.

В гексагональной решётке можно провести только одну плоскость, в которой расположено наибольшее число атомов – это плоскость основания. В решётках кубической формы таких плоскостей больше. Поэтому при прочих равных условиях металлы с гексагональной решёткой менее пластичны, чем металлы с кубической решёткой.

Пластическое деформирование начинается, прежде всего, в тех плоскостях скольжения, и по тем направлениям, которые расположены под оптимальным углом по отношению к внешней силе. Так, при сжатии и растяжении пластическая деформация возникает в первую очередь в плоскостях, расположенных под углом 45 0 к линии действия внешней силы.

Скольжение является сдвиговым деформационным процессом. Известно, что если отполированный образец из моно- или поликристалла подвергнуть нагружению, то при определённой нагрузке на поверхности образца появляются сетки линий скольжения, называемые линиями Чернова-Людерса. Эти линии качественно характеризуют сдвиг одних частей образца относительно других.

Двойникование

В некоторых металлах – магнии, цинке, золоте, железе – наряду со скольжением наблюдается двойникование. При двойниковании происходит поворот деформированной части кристалла в положение, зеркальное по отношению к деформированному. Однако и в этом случае происходит сдвиг атомов в новые положения устойчивого равновесия на расстояния, которые пропорциональны основному параметру решётки.

Двойникование часто возникает при ударном деформировании и распространено для металлов и сплавов, кристаллизация которых происходила с образованием кристаллитов в форме многогранников.

Как происходит разрушение металлов

Процесс разрушения металлов адекватно описывается методами специальной механики разрушения. Исходное положение теории заключается в том, что разрушение элементов конструкций связано с возникновением и развитием трещин, которые проявились:

В процессе изготовления деталей (сварка, шлифовка, закалка);

В период их эксплуатации вследствие превышения допустимых нагрузок;

Как следствие коррозионных явлений.

Механика разрушения учитывает влияние дефектных участков при анализе напряжённого состояния конструктивных элементов и при определении реальных характеристик материала во время испытаний. Такие испытания должны проводиться с образцами, в которых имеются искусственно наведенные трещины.

В результате испытаний устанавливаются количественные связи между номинальными напряжениями, формой и размерами дефекта, с одной стороны, и сопротивлением материала в условиях стабильного и нестабильного варианта развития трещины – с другой. Именно в этом заключается принципиальная основа использования методов механики разрушения при выборе материала, определения размера и установления срока службы деталей машин и элементов металлоконструкций.

Установлено, что при оценке вероятности и времени разрушения металла следует рассматривать изотропную пластину бесконечной длины и конечной толщины, внутри которой имеется трещина. Критерием развития трещины принимают параметр интенсивности поля напряжений в зоне одного из концов трещины (критерий Ирвина), при этом радиусные переходы между участками равны 0. Раскрытие трещины (после чего и наступает разрушение) происходит при максимальном уровне растягивающих напряжений у её краёв.

Источник

Упругая и пластическая деформация.

Строение металлов и сплавов

1.1. Общие вопросы

В расплавленном состоянии атомы металлов и сплавов находятся в непрерывном хаотическом движении. При затвердевании жидкого металла атомы продолжают пребывать в непрерывном движении, но под действием межатомных сил их движение приобретает колебательный характер относительно центров устойчивого равновесия, которые располагаются в строго определенном геометрическом порядке относительно друг друга. Такое строение называется кристаллическим.
При комнатной температуре и атмосферном давлении любой металл, за исключением ртути, – это твердое кристаллическое тело. (Ртуть кристаллизуется при – 39 °С. Однако при охлаждении с огромными скоростями – порядка 1 млн град/с – можно подавить процесс кристаллизации и сохранить при комнатной температуре взаимное расположение атомов, характерное для жидкого металла. В этом случае получится аморфный металл или металлическое стекло, т.е. твердое, но не кристаллическое тело.)

Кристаллическое строение схематично изображают кристаллической решеткой, которая представляет собой вполне определенное для каждого металла расположение точек – центров устойчивого равновесия (рис. 1). Положение этих центров относительно друг друга соответствует положению атомов при минимуме потенциальной энергии. Наименьший многогранник, в вершинах которого размещаются атомы и с помощью которого путем его копирования и последующего перемещения можно построить пространственную сетку кристаллической решетки, называют элементарной ячейкой кристаллической решетки.

Рис. 1. Схема строения металлического кристалла

Элементарные кристаллические решетки некоторых материалов приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, взаимное расположение атомов и расстояние между ними различно в разных направлениях. Так как свойства веществ (физические, химические и механические) зависят от взаимодействия атомов, взаимное расположение которых неодинаково, то и свойства кристаллов по разным направлениям различно. Различие свойств по разным направлениям называется анизотропией.

1.2. О моно- и поликристаллах

При определенных температурно-скоростных режимах охлаждения (например, при условиях метода направленной кристаллизации) жидкий металл переходит в твердое кристаллическое состояние правильной формы – монокристалл.

Таблица 1. Элементарные кристаллические решетки некоторых металлов

Тип решетки		Металлы, имеющие данный тип элементарной кристаллической решетки
Наименование	Схема элементарной кристаллической решетки
Кубическая объемно-центрированная	Ванадий, вольфрам, α-железо (при температуре Рис. 2. Объемные модели: а – модулей упругости железа; б – модулей сдвига железа; в, г – предела прочности и остаточных удлинений соответственно алюминия (по Е. Шмидту) Свойства поликристалла, состоящего из множества малых, различным образом ориентированных зерен, усредняются и не обнаруживают при испытаниях свойств анизотропии, тело становится как бы изотропным, т.е. квазиизотропным телом. Большинство металлов и сплавов, применяемых в машиностроении, содержат неметаллические включения в виде оксидов, карбидов, сульфидов и т.д. А так как температура плавления неметаллических включений ниже, чем основного металла, то первоначально кристаллизуется основной металл, образуя зерна поликристаллитного строения. Размеры зерен обычно составляют 0,01…0,1 мм, но иногда, при медленном охлаждении, они могут достигать нескольких миллиметров. Неметаллические вещества в процессе кристаллизации основного металла как бы выжимаются на границы зерен и располагаются между ними в виде тонкой сетки или отдельных включений разнообразных формы и размеров. Сплавы так же, как и чистые металлы, являются кристаллическими телами. Тип кристаллической решетки сплава cooтветствует решетке металла – растворителя, тогда как атомы другого металла (растворимого) располагаются между атомами основного. Сплавы с такой структурой являются твердыми растворами. Компоненты сплава могут образовывать химические соединения со своей особой кристаллической решеткой, концентрация различных компонентов в подобном сплаве постоянна. При определенных концентрациях компонентов возможно образование механической смеси из различных кристаллов (твердых растворов, кристаллов металлов, химических соединений). Часто сплавы представляют собой металлические соединения, состоящие из кристаллитов (зерен) всех типов, прочно соединенных друг с другом. При этом свойства металлов и сплавов в значительной степени зависят от их кристаллического строения, величины и формы зерен и неметаллических включений. Пластическая деформация металлов, виды и определения Обработка металлов давлением это деформация. Многие помнят закон Гука из школьной программы. Так существует упругая и пластическая деформация. В нашем случае, поговорим о пластической. Как нас учил проф. д.т.н. Осадчий В.Я. на лекциях по теории обработки металлов давлением (ТОМД) на сегодняшний день подразделяют на: При холодной деформации происходит упрочнение металла, при этом возврат и рекристализация не происходит. Иными словами при холодной деформации разупрочнение не происходит, а также не происходит залечивания нарушений внутри и межзеренных, так как не действуют механизмы термической пластичности. В результате холодной деформации прочность увеличивается, а пластичность и плотность уменьшаются, металл охрупчивается. При деформации металла с высокой степенью образуется текстура; происходит изменение физических свойств металла. Холодная происходит при температуре ниже чем 0.3 tпл.(температура плавления). При деф-ции металлов на горячую разупрочняется с такой скоростью, при которой не происходит упрочнения в результате деформации. Металл уплотняется, литая структура разрушается, образуются новые рекристаллизованные равноосные зерна; нарушения границ зерен и блоков залечиваются в результате действия механизмов термической пластичности. Степень деформации и скорость деформации (извините за тавтологию, но сказать по другому не получается) оказывают существенное влияние. Так при малых скоростях, степенях деформации и при температуре 0,7 tпл. происходит горячая деф-ция металлов. Практически трудно создать условия для холодной и горячей обработки давлением в чистом виде. Поэтому при обработке давлением металлов часто наблюдаются неполная холодная и неполная горячая деформации. Неполная холодная деф. подразумевает, что наряду с упрочнением происходит частичное разупрочнение в результате возврата, вызванного разогревом из-за выхода тепла. Для металла после неполной холодной деф. характерны свойства металла, получившего низкотемпературную обработку после холодной деформации. Для процесса неполной холодной деформации температура находится в пределе от 0.3 до 0.5 tпл. К неполной холодной деформации можно отнести так называемую теплую, при которой металл нагревают от внешних источников. Теплая прокатка тонких листов и лент и теплое волочение применяют при обработке труднодеформируемых сплавов, имеющих сопротивление деф-ции и пониженную пластичность. Подогрев до невысоких температур при теплой, не вызывая окисления поверхности, что характерно для горячей, несколько снижает сопротивление деформации и, что очень важно, повышает пластичность из-за появления новых систем скольжения. В конечном итоге при неполной горячей деформации металлов рекристаллизация, разупрочнение проходят не полностью. Таким образом структура металла получается рекристаллизованной с наличием деформированной. Температура неполной горячей соответствует от 0.5 до 0.7 tпл. Неполная горячая из-за неоднородности структуры приводит к пониженным механическим свойствам и поэтому нежелательна. Приведенные выше температурные интервалы видов деформации являются ориентировочными. Вид деформации зависит не только от температурного режима, но и от степени и скорости деформации. Так, при высокой степени и скорости при начальной температуре металла значительно ниже 0,3 tпл деф-ция получается неполной холодной. Для нее характерны частичное разупрочнение в результате большого выхода тепла из-за высокой степени деформации и малые потери тепла из-за высокой скорости деформации. Горячая деф-ция с высокими степенями и скоростями будет неполной, так как упрочнение в результате деформации происходит и при температурах выше 0,7 tпл. Влияние степени и скорости деформации на упрочнение при деф-ции на горячую особенно сильно проявляется при обработке сплавов с пониженной скоростью и повышенной температурой рекристаллизации. Это характерно, например, для нержавеющих сталей аустенитного класса. Такие сплавы имеют высокое динамическое сопротивление деформации. Грамотным термомеханическим режимом при деформации на горячую необходимо добиваться отсутствия упрочнения и полной рекристаллизации в результате пластической деформации, но при данном процессе деформации упрочнение неизбежно. Рассмотренные температурные условия разных видов деформации позволяют уточнить понятия «холодная и горячая деформации». Температурный интервал того или иного вида деформации зависит от температуры плавления. Принимать деф-цию без нагрева (при комнатной температуре) за холодную нельзя. Допустим, что происходит деф-ция олова, свинца и технического железа без нагрева при 25С. Определим сходственные (гомологические) температуры этих металлов при 25С, принимая температуру плавления олова 505К (232С), свинца 600К (327С) и железа 1800К (1530С). Тогда получаем сходственные температуры: для олова- 0,59 tпл, для свинца- 0,5 tпл, для железа это 0,165 tпл. Получается, что температура 25С для олова и свинца является горячей неполной деформации, а для железа (при малых степенях и скоростях деформации)- температурой холодной. Это подтверждают экспериментальные данные. Так, олово и свинец не наклепываются при обработке давлением при комнатной температуре. Скорость деф-ции оказывает существенное влияние на сопротивление деформации, т.е. олово и свинец ведут себя, как железо, при температуре от 0.5 до 0.6 tпл, равных 900-1080 К (630-810С). Физическая природа деформации металлов 2.1. Общие сведения Кристаллические решетки металлов, образовавшиеся при его затвердевании, обладают способностью в отличие от газов и жидкостей сохранять полученную при затвердевании форму и противостоять достаточно большим внешним силовым воздействиям. Эти свойства кристаллических решеток металлов обеспечиваются силами межатомного взаимодействия. Природа этих сил и законы, их определяющие, достаточно сложны и исследуются методами квантовой механики. На рис. 3 приведена качественная зависимость равнодействующей всех сил, влияющих на два соседних атома, от расстояния между ними. Как видно, сила взаимодействия f равна нулю в точке, определяющей равновесное расстояние между атомами а0. При этом около точки а0 зависимость силы взаимодействия от расстояния между атомами близка к линейной. Это позволяет создать довольно приближенную, но зато наглядную модель строения кристалла (рис. 4). Кристалл можно представить в виде пружинок, к концам которых прикреплены атомы, образующие узлы решетки. Пружинки можно считать ненагруженными ( f = 0), но если появится внешняя сила, требующая изменения размера тела, они сразу же начнут работать, стремясь сохранить целостность ансамбля атомов. Всякая попытка деформировать или разрушить металл наталкивается на противодействие этих «пружин». Рис. 3. Зависимость равнодействующей сил, наблюдающихся между двумя атомами, от расстояния между ними Рис. 4. Идеализированная модель кристалла с межатомными связями в виде пружинок Если попытаться удалить атомы друг от друга, возникнет сила взаимного притяжения (+ f ), которая будет стремиться вернуть атомы на исходные позиции, находящиеся на расстоянии а0 друг от друга. Попытка сблизить атомы приводит к появлению силы обратного знака (- f ), стремящейся снова восстановить начальное состояние. Этими особенностями межатомного взаимодействия и обусловлены, во-первых, само свойство упругости металлов, а во-вторых, – закон упругой деформации, известный как закон Гука. Ранее были рассмотрены основные типы элементарных кристаллических решеток металлов. Взаимное расположение атомов в этих решетках можно представить как упаковку бильярдных шаров (рис. 5). Предельная плотность упаковки достигается, когда каждый шар окружен в пространстве 12 такими же шарами. Этому случаю соответствуют гранецентрированные кубические и гексагональные плотноупакованные решетки. В данных решетках коэффициент заполнения объема атомами равен 0,74 и только 26 % от объема приходится на долю пор между атомами. Третий распространенный тип решетки металлов – объемно-центрированная кубическая. Коэффициент заполнения объема у металлов с такой решеткой несколько меньше, но это не означает, что больше размеры пустот между атомами. Наоборот, несложные геометрические вычисления показывают, что размеры пор в этой решетке меньше, чем в решетках с предельно плотной упаковкой, просто самих этих пор больше. Если в кристалле с плотноупакованной решеткой выделить плоскость, в которой атомы наиболее тесно уложены, то получится картина, изображенная на рис. 6. При наложении на кристалл внешних сил в нем возникнут касательные напряжения τ, которые стремятся сдвинуть один атомный слой относительно соседнего. Такой способ пластической деформации называется скольжением – одни слои кристалла сдвигаются, скользят по другим. Воображаемые плоскости, разделяющие эти слои, именуют плоскостями скольжения. Рис. 5. Упаковка атомов в элементарных кристаллических решетках: а – гранецентрированная кубическая; б – гексагональная плотноупакованная; в – кубическая объемно-центрированная Обычно в скольжении участвуют плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, так как расстояния между этими плоскостями в кристаллах максимальны и поэтому их легче сдвигать одну относительно другой. Расстояние от плоскости, в которой атомы тесно прилегают друг к другу, до следующей такой же плоскости близко к диаметру атома. Если же выбрать другую плоскость, где атомы расположены реже (пара таких плоскостей 4–4 показана на рис. 6 пунктиром), то расстояние от нее до следующей такой же будет заметно меньше. Взаимное смещение (скольжение) таких плоскостей требует больших усилий, вызывает большие нарушения правильного атомного строения кристалла в зоне сдвига, чем скольжение вдоль плоскостей плотной упаковки. Касательные напряжения возникают под действием внешних сил как при растяжении, так и при сжатии. Вызванные ими сдвиги обеспечивают удлинение (рис. 7) или сжатие (рис. деформируемого тела. Это напоминает сдвиг в стопке монет или колоде карт. Например, при растяжении мы не можем удлинить колоду карт, потянув сразу все карты в продольном направлении, но длина колоды увеличится, если мы будем сдвигать вдоль нее карты одну по другой. Рис. 6. Плоскости скольжения (1–1…1–4) в кристалле с наиболее плотной упаковкой атомов: τ – касательные напряжения Чтобы при пластической деформации не нарушалась сплошность металла, слои, разделенные плоскостями сдвига, постепенно разворачиваются в направлении действия нагрузки. Рис. 7. Схема деформации монокристалла при растяжении путем сдвига по плоскостям скольжения Эти сдвиги необратимы – они и вызывают остаточную деформацию. Особенно отчетливо такой характер пластической деформации виден при исследовании металлических образцов – монокристаллов (рис. 9). В кристалле может быть несколько равноправных плотноупакованных пар плоскостей (пары 1–1, 2–2, 3–3 на рис. 6). При пластической деформации кристалл окажется перед выбором. Вопрос будет решен в пользу той плоскости скольжения, в которой будет действовать наибольшее касательное напряжение. При данном направлении действия внешней силы первой «заработает» та группа параллельных плотноупакованных плоскостей, которые составляют с осью растяжения угол, как можно более близкий к 45°, поскольку именно на площадках, расположенных под этим углом к оси растяжения, касательные напряжения максимальны. Несколько сложнее обстоит дело при деформировании обычных поликристаллических металлов, состоящих из множества зерен — монокристаллов, случайным образом ориентированных друг к другу. В поликристаллах деформация каждого зерна должна быть согласована с деформацией всех его непосредственных соседей, иначе на границах зерен будут появляться разрывы, трещины, пустоты. Однако этого не происходит вследствие высокой симметрии кристаллических решеток металлов, имеющих несколько возможных плоскостей скольжения в каждом зерне (рис. 10). Процесс скольжения в поликристаллах требует больших напряжений, чем в монокристаллах, но принципиально картина скольжения не меняется. Происходит сдвиг одних слоев металла в пределах каждого зерна относительно соседних по плоскостям скольжения. Внешняя растягивающая сила диктует необходимость разворота этих слоев в направлении приложения силы, который сопровождает их скольжение друг по другу. В результате каждое зерно вытягивается в осевом направлении и сжимается в двух других. Так из совместной деформации отдельных зерен складывается общая деформация всего поликристаллического тела. С повышением температуры, увеличивающей амплитуду колебания атомов, в процесс скольжения могут быть вовлечены дополнительные плоскости кристаллической решетки, снижая требуемые для деформирования тела нагрузки. Рис. 8. Схема деформации монокристалла при сжатии Рис. 9. Кристалл цинка, растянутый при 300 °C (по Е. Шмидту) Рис. 10. Плоскости скольжения в ячейке кубической объемно-центрированной решетки Рис. 11. Схема двойникования Кроме механизма скольжения пластическая деформация монокристалла и зерен поликристаллов может осуществляться так называемым двойникованием – одновременным смещением нескольких слоев атомов, ограниченных параллельными плоскостями, под действием касательных напряжений, т.е. перемещение части кристалла как одного целого в положение, зеркально симметричное с неподвижной частью кристалла (рис. 11). Плоскость симметрии, относительно которой осуществлен поворот, называется плоскостью двойникования, а переместившаяся часть кристалла — двойником. Этот двойник показан на рис. 11 пунктирными линиями. Плоскости двойникования часто совпадают с плоскостями скольжения. 2.2. Дислокации Теоретические расчеты показывают, что силы взаимодействия между атомами столь велики, что для одновременного сдвига одной части идеального кристалла относительно другой требуются касательные напряжения, в сотни и тысячи раз превышающие напряжения, которые необходимы для этого на практике. Связано это с тем, что в реальных кристаллах имеются зоны ослабленных связей между атомами. Поэтому скольжение происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, а последовательно, путем перемещения отдельных групп атомов относительно других. При этом требуются значительно меньшие по величине касательные напряжения. Ослабление связей между атомами обусловлено наличием несовершенств в строении реальных кристаллов. К этим несовершенствам относятся: наличие примесей, отсутствие или избыток в узлах решетки дополнительных атомов и др. Особым видом несовершенств являются дислокации – краевые (линейные) и винтовые (спиральные). Рис. 12. Краевая дислокация Краевая дислокация (рис. 12) представляет собой несовершенство кристаллической решетки, при котором число атомных плоскостей выше или ниже плоскости скольжения неодинаково. Под действием касательных напряжений τ краевая дислокация передвигается. При этом линию дислокаций можно представить в виде «натянутой струны». Смещение дислокаций состоит в последовательном и параллельном перемещениях исходной дополнительнойплоскости от одной соседней плоскости к другой в направлении к краю кристалла. В результате одна часть кристалла сдвигается относительно другой на одно межатомное расстояние. Начальную стадию этого процесса можно представить так, как показано на рис. 13, а. На левой грани кристалла под действием касательного напряжения τ уже образовалась ступенька, но сдвиг еще не охватил всю площадь плоскости скольжения. Границей зоны сдвига является краевая дислокация, которая пока находится вблизи левой грани. Из рис. 13, б видно, что перемещение дислокации на одно межатомное расстояние в решетке требует лишь небольшой перегруппировки атомов вблизи дислокационной линии. Здесь жирными кружками показаны положения атомов, соответствующие рис. 13, а. В дальнейшем дислокация постепенно перемещается все дальше и дальше вправо и в конце концов выходит на правую грань кристалла, образуя на ней ступеньку. Как видно, конечный результат получился таким же, как при одновременном сдвиге всей атомной плоскости. Но для достижения этого результата требуются неизмеримо меньшие напряжения. Рис. 13. Схема перемещения дислокации в плоскости скольжения При переходе от позиции на рис. 13, а к позиции на рис. 13, б нарушается только одна связь (2–3′) и формируется новая полная атомная плоскость (2–2′). Полуплоскость 3′ теперь становится лишней, и дислокация сдвигается вправо на одно межатомное расстояние. Таким образом, верхняя плоскость перекатывается по нижней не так, как в модели жесткого сдвига (см. рис. 6), а так, как это делала бы гусеница, преодолевая препятствие. В момент перехода дислокации из одного положения равновесия (когда она находится точно посредине между двумя соседними полными, правильными вертикальными плоскостями) в следующее такое же лишь один атом перекатывается через горку (см. рис. 6). Все атомы, участвующие в движении дислокации, как видно, смещаются на расстояния порядка межатомного. Такая же ситуация создается во всех атомных плоскостях, параллельных плоскости рис. 13, поэтому, когда мы говорим «один атом», имеется в виду вся цепочка, перпендикулярная к чертежу, – край полуплоскости. Длина дислокации, т.е. ее размер в направлении, перпендикулярном к чертежу, может быть равна или соизмерима с размером кристалла в этом направлении. В плоскости чертежа все возмущения – отклонения атомов от нормальных позиций, которые они занимали до прихода сюда дислокации, практически полностью гасятся при удалении от оси дислокации на несколько межатомных расстояний. Поэтому дислокации являются линейными дефектами решетки: их размер в одном направлении велик, а в двух других мал. Сущность винтовой дислокации состоит в том, что кристаллографические плоскости, перпендикулярные к плоскости скольжения (рис. 14), имеют изгиб со сдвигом на одно межатомное расстояние. Движение винтовой дислокации дает пластический сдвиг в направлении, перпендикулярном к направлению движения дислокации, и приводит к смещению одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние. Особенностью винтовой дислокации является то, что направление пластического сдвига параллельно плоскости скольжения, тогда как при краевой дислокации сдвиг происходит в направлении, к ней перпендикулярном. Рис. 14. Винтовая дислокация Изменение свойств металлов в результате пластической деформации Пластическая деформация заготовки, сопровождающаяся изменением ее формы и размеров, связана с изменением формы каждого отдельного зерна. При обработке давлением зерна вытягиваются (деформация удлинения), а поперечный размер их уменьшается (деформация укорочения). При этом металл приобретает волокнистое строение. Такое направленное расположение зерен называется текстурой (слоистостью) деформации (рис. 15). Рис. 15. Характерные текстуры металлов и сплавов: а – до деформации; б – после пластической деформации Образующиеся волокна с вытянутыми вдоль них межзеренными прослойками определяют различные свойства деформированного металла или сплава вдоль и поперек волокон. При этом металл, практически изотропный до деформации, после нее становится анизотропным, т.е. обладающим различными свойствами в различных направлениях относительно волокон. Вдоль волокон прочность, особенно пластичность и ударная вязкость, выше, чем поперек волокон. Текстура даже после отжига и рекристаллизации частично остается в металле, и наведенная анизотропия сказывается на дальнейшей обработке давлением, например влияет на процесс образования фестонов при вытяжке листовых заготовок. Пластическая деформация существенно изменяет механические свойства поликристаллического тела. Понятие о пластической деформации Деформацией называют процесс изменения формы и размеров тела под действием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (остаточную). Упругой называют такую, при которой после снятия нагрузок тело восстанавливает свою первоначальную форму. Эта деформация (далее «деформация» — «Д») сопровождается изменением расстояний между атомами в кристаллической решетке в пределах ее параметра. Пластической деформацией называют такую, при которой после снятия внешней нагрузки тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры. «Д» сопровождается смещением одной части кристалла по отношению к другой на расстоянии, значительно превышающем расстояние между атомами в кристаллической решетке. Пластической «Д» всегда предшествует упругая «Д». Таким образом, общая пластическая деформация в момент действия нагрузки всегда состоит из упругой и пластической «Д». Упругая «Д» после снятия нагрузки исчезает. «Д» имеет важное практическое значение поскольку процессы обработки металлов давлением основаны на деформации заготовок. «Д» сопровождается не только изменением формы и размеров тела. Одновременно с этим в металле появляется внутреннее напряжение и происходит изменение его механических и физико-химических свойств. Величина и характер деформации зависят от пластических свойств металла. Пластичность металлов примерно может быть оценена относительным удлинением и относительным сужением при испытании образцов на растяжение. К характеристикам пластичности металлов относится также ударная вязкость, показывающая работу разрушения при изгибании надрезанного образца, отнесенную к его площади сечения в месте надреза. Представление о упругих и пластических свойствах различных металлов дают диаграммы условной (рис. 1.5, а) и действительных напряжений и деформаций (рис. 1.5, б). Диаграммы условных и действительных напряжений и деформаций обычно строятся на основании данных, полученных при испытании изразцов на растяжение. В диаграммах условного напряжения по оси ординат откладывается условное напряжение, по оси абсцисс относительное удлинение (рис. 1.5, а). Условное напряжение определяется отношением усилия, действующего в данный момент, к первоначальной площади поперечного сечения образца.
Рисунок 1.5. Схематическая диаграмма растяжений

По диаграмме условного напряжения можно определить границу пропорциональности, предел текучести (физический и условный) и временное сопротивление разрыву. Широкое распространение получили диаграммы действительного напряжения в координатах. Настоящее напряжение S — относительное сужение площади поперечного сечения образца (рис. 1.5, б). Настоящее напряжение S является усилиями, отнесенными к площади поперечного сечения образца в данный момент испытания. На диаграмме действительного напряжения точка Sв характеризует напряжение, соответствующее началу образования шейки, а точка Sk — напряжение в момент разрыва. Касательная к кривой в точке Sв отсекает на оси ординат отрезок, близкий по величине временному сопротивлению разрыву, т.е. S0 = 6в

Чем больше разница между пределом прочности и пределом текучести, тем пластичнее металл. В хрупких материалах величина предела текучести приближается к пределу прочности, поэтому они разрушаются почти без пластической деформации. Так разрушается чугун, стекло, фарфор, горные породы и др. Следует отметить, что при нагреве металла до высоких температур значение предела текучести почти совпадает со значением предела прочности.

Источник