Изменение структуры и свойств металлов при пластической деформации

Механизмы пластического деформирования. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузи, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемешается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место, и деформация сохранится.

Теория дислокаций, объясняет процесс пластического деформирования путем сдвига (рис. 2.18).

Дислокация (обозначаемая значком ⊥) под действием силы Р или касательных напряжений перемещается вправо только вследствие того, что изменяется «соседство» атомов по обе стороны от плоскости АА. При перемещении дислокации на одно межатомное расстояние разрывается только одна межатомная связь, а атомы смещаются на доли межатомных расстояний.

В результате дислокация выходит на поверхность кристалла (граница зерна или блок мозаики) и исчезает (рис. 2.18, в).

Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод, что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций в металле. В металле, в котором нет дислокаций, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла, и прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Рис. 2.18. Дислокационная схема пластического сдвига: а – перед деформацией; б, в – последующие стадии деформации

Способность реального металла пластически деформироваться используют при различных технологических процессах – при прокатке, протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т. д. Большое значение он имеет и для обеспечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из металла.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопротивление сдвигу.

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.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. На начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществляется движением дислокации по одной системе плоскостей – стадия легкого скольжения. 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, и для их продвижения внешнее напряжение резко возрастает (стадия II деформационного упрочнения). Под влиянием все возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокации, т.е. скольжение с переходом из одной плоскости скольжения в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокации в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокации меньше, чем в стенках ячеек. Наступает III стадия деформации, когда происходит так называемый динамический возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения. Дислокации, движущиеся в деформированном металле, порождают большое число дислоцированных атомов и вакансий.

Пластическая деформация металлов, имеющих плотноупакованные решетки, может осуществляться не только скольжением, но и 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. В металлах с ГЦК- и ОЦК-решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформирования и низких температурах.

Деформирование 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 дислокации, начавшееся в одном зерне, не может переходить в соседнее зерно, т.к. в нем системы скольжения ориентированы по-иному.

Достигнув границы 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 дислокации. Поэтому в поликристаллическом металле первая стадия практически отсутствует, а во второй стадии деформационного упрочнения коэффициент упрочнения выше.

При деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую, близкую к равновесной форму, после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит формирование субзерен и увеличение угла разориентировки

между ними (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации: а – исходное состояние (ε = 0 %); б – ε = 1%; в – ε = 40 %; г – ε = 80 – 90 %.

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).

Чем 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 c волокнистой структурой, волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой.

Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств. Вид текстуры определяется типом обработки давлением и природой металлического материала. Текстура волочения является аксиальной, она характеризуется параллельным оси волочения кристаллографическим направлением, вокруг которого решетка поворачивается. У ГЦК металлов это направление <111> и <100>, у ОЦК – <110>. Текстура прокатки характеризуется кристаллографической плоскостью и направлением, параллельными плоскости и направлению прокатки. У α-железа это {112} <110>, а также {110} <110>.

Деформационное упрочнение поликристаллического металла.

С увеличением степени холодной (ниже 0,15–0,2 Тпл) деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σв, σ0,2, HВ и др.), повышаются, а способность к пластической деформации уменьшается. Это явление получило название наклепа. Зависимость механических свойств стали 08кп от степени обжатия ε при холодной прокатке показана на рис. 2.20.

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.

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25 °С. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокации и уменьшения их количества.

Разрушение металлов. Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.

Разрушение происходит в результате развития нескольких трещин или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой происходит полное разрушение.

Рис. 2.20. Зависимость механических свойств стали 08кп от степени обжатия ε при холодной прокатке

Рис. 2.21. Схема образования трещины: 1 − трещина.

Разрушение может быть хрупким (в металлах – квазихрупким) и (или) вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокации (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед всевозможными включениями и т.д.).

В месте скопления дислокации они могут прийти в столь тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая трещина (рис. 2.21).

При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина (при заданном напряжении) превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую (по радиусу у вершины) с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи.

При разрушении распространяющая трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия.

Вязкое и хрупкое разрушения различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика. Для стали скорость роста трещины достигает 2 500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным», или «катастрофическим», разрушением. Вязкое и хрупкое разрушения можно связать с энергоемкостью процесса разрушения при том или ином виде испытания. Вязкому разрушению соответствуют обычно высокие значения поглощенной энергии, т.е. большая работа распространения трещины. Энергоемкость хрупкого разрушения мала, и соответственно работа распространения трещины также мала.

В зависимости от особенностей микроструктуры выделяют два вида разрушения: транскристаллитное (внутризеренное) и интеркристаллитное _(межзеренное). При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

Разрушение по границам зерен, как правило, является хрупким с малой долей пластической деформации. При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение.

Изучение тонкой структуры излома с помощью электронного микроскопа (микрофрактография) позволяет более уверенно судить о вязком или хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется ямочным («чашечным») изломом; ямка – микроуглубление на поверхности излома, возникающее в результате образования, роста и слияния микропустот.

Глубина ямки определяется способностью металла к локальной пластической деформации.

Излом при хрупком разрушении имеет ручьистый узор, представляющий собой систему сходящихся ступенек скола, образующихся в результате разрушения перемычек между хрупкими трещинами, распространяющимися путем скола по параллельным, близко расположенным кристаллографическим плоскостям. В отличие от вязкого, хрупкое разрушение распространяется внутри отдельных зерен вдоль плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, называемой плоскостью скола.

Вязкий чашечный и хрупкий ручьистый изломы относятся к транскристаллическому разрушению.

При исследовании на электронном микроскопе хрупкое разрушение, идущее по границам зерен, выявляется в виде гладких поверхностей, так называемых фасеток зернограничного скола, часто с некоторым количеством выделившихся частиц. Межзеренное разрушение происходит легче при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы.

Одни и те же (по составу) сплавы в зависимости от предшествующей обработки и метода испытания могут быть и вязкими и хрупкими. Многие металлы (Fе, Мо, W, Zn и др.), имеющие кристаллические решетки ОЦК и ГПУ, в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обусловливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости. Явление хладноломкости можно объяснить схемой А.Ф. Иоффе. Понижение температуры практически не изменяет сопротивление отрыву (разрушающего напряжения), но повышает сопротивление пластической деформации σ_т (предел текучести). Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко. В указанных условиях сопротивление отрыву достигается при напряжениях, меньших, чем предел текучести. Точка пересечения кривых σт и S_отр, соответствующая температуре перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, получила название критической температуры хрупкости, или порога хладноломкости t_п.

Чем выше скорость деформации, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению. С увеличением остроты и глубины надреза склонность к хрупкому разрушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем больше вероятность хрупкого разрушения (масштабный фактор).