Пластическая деформация металлов.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация делится на упругую и пластическую.

Упругая деформация.Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства те­ла полностью 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 полностью обратимое смещение атомов.

Пластическая деформация.При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел или порог упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осущест­вляться скольжением и двойникованием. Скольжение (смеще­ние) отдельных частей кристалла относительно друг друга про­исходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины (τ_к).

Схема упругой и пластической деформаций металла с куби­ческой структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 18. Эта схема дает наглядное представление о смещении атомов в соседних плоскостях при сдви­ге на одно межатомное расстояние.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плос­костям, и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов где величина сопротивлению сдвигу (τ_к) наименьшая, а сама величина τ значительна. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической дефор­мации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую ре­шетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексаго­нальной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, подда­ются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Процесс скольжения не следует, однако, 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.

Рис. 18. Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига:

а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г – напряжения, обусловившие появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д – образование двойника.

Рис. 19. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а – схема движения дислокации; б – краевая дислокация в кристаллической структуре; в – дислокация переместилась на дно; г – на два межатомных расстояния в решетке под влиянием приложенного напряжения; д – выход дислокации на поверхность и появление сдвига.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций, что показано на рис. 19. Чтобы дислокация из исход­ного положения 1 переместилась в соседнее положение 14, не нужно сдвигать всю верхнюю половину кристалла на одно меж­атомное расстояние. Достаточно, чтобы произошли следующие перемещения атомов: атом 1 в положение атома 2, атом 3 — в 4, атом 5— в 6, атом 7 — в 8, атом 9 — в 10, атом 11 — в 12, атом 13 —в 14, атом 15 —в 16 и атом 17 — в 18. Также смещаются атомы не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости.

Незначительные перемещения атомов в области дислокации приводят к перемещению дислокаций на одно межатомное расстояние.

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.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых метал­лов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение,симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после дефор­мации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил τ, образуя во­локнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориенти­ровка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относи­тельно внешних деформирующих сил получила название тек­стуры (текстура деформации).

Наклеп. С увеличением степени де­формации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_в, σ_т, НВ и др.), повышаются, а способность к пластической деформации — пластич­ность (δ и φ) уменьшается. Это явление роста упрочнения получило название наклепа. Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа де­фектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Все дефекты кристалличе­ского строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление дефор­мации и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет, увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение. В результате деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов, например железа, повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную про­ницаемость.

3.1. Свойства пластически деформированных металлов.

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства — электросопро­тивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл за­пасает 5—10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плот­ность дислокаций возрастает до 10⁹—10¹² см^-2) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации (рис. 20).

При деформировании увеличиваются проч­ностные характеристики (твердость;σ_в; σ_0,2; σ_упр) и понижаются пластичность и вязкость (δ; φ;а_н). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформи­рования, после 40%-ной дефор­мации механические свойства меняются незначи­тельно. С увеличением степени деформации пре­дел текучести растет быстрее предела прочности (временного сопротивления). Обе характери­стики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое со­стояние наклепанного металла яв­ляется предельным, при попытке про­должить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивле­ние (предел прочности) удается повысить в 1,5—3 раза, а предел текучести — в 3—7 раз при максимально возможных де­формациях. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются силь­нее металлов с ОЦК-решеткой. Среди сплавов с ГЦК-решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь; алюминиевая бронза с 7% А1; никель; а алюминий упрочняется незначительно).

Упрочнение при наклепе широко используют для повышения ме­ха­нических свойств деталей, изготовленных методами холодной обра­ботки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает

сопротивление усталости. Понижение пластичности при наклепе исполь­зуют для улучшения обрабатываемости резанием вяз­ких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).

3.2. Влияние нагрева на структуру и свойства холоднодеформированных металлов.

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией у боль­шинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве подразделяют на две основ­ные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат про­исходит при относительно низких температурах, рекристаллизация — при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма кристаллов при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых кристал­лов с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекри­сталлизации образуются совершенно новые, чаще всего, равноосные кристаллы.

Возврат.Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две возможные стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформи­рованных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию воз­врата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается коли­чество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла. Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровож­дается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).

Полигонизация— это процесс разделения деформиро­ванных зерен металла на полигоны — области с малой плотностью дислокаций. Эти области называются бло­ками. Процесс полигонизации протекает в интервале температур отдых — рекристаллизация и заканчивается созданием блочной структуры.

Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упру­гих искажений кристаллической решетки и более полно­му восстановлению физических свойств металла. Меха­нические свойства его при этом изменяются незначитель­но. Текстура сохраняется, хотя и становится блочной.

Вслед за возвратом протекает рекристаллизация, за­ключающаяся в зарождении и росте новых неискажен­ных равноосных зерен (рис. 21).

При первичной рекристаллизациив деформированной среде зарождаются и растут равноосные зерна до тех пор, пока полностью не исчезнет текстура, созданная деформацией. Зародышами зерен являются отдельные энергетически выгодные блоки (центры рекристаллиза­ции). После исчезновения текстуры металл приобретает равновесную мелкозернистую структуру.

Суммарная протяженность границ мелких зерен ве­лика. Граничные зоны зерен представляют собой тонкие (в несколько атомных слоев) сильно искаженные облас­ти, так как здесь сопрягаются кристаллические решетки различно ориентированных стыкующихся зерен, сюда стекаются точечные дефекты и дислокации. Поэтому граничные зоны зерен и характеризуются высокими зна­чениями энергии (поверхностной энергии), которая уменьшается за счет округления зерен и дальнейшего их роста путем фронтального перемещения граничных зон растущих зерен и поглощения мелких. Атомы из мелких зерен диффундируют через границу в растущие зерна, отчего первые постепенно исчезают, а вторые разраста­ются. В результате число зерен структуры металла умень­шается, а их размеры увеличиваются. Рост одних равно­осных зерен за счет исчезновения других представляет собой собирательную рекристаллизацию.

Температура начала рекристаллизации зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала и содержания примесей в нем. Определено, что

Т_рекр = αТ_пл,

где Т_рекр— абсолютная минимальная температура рекри­сталлизации; α — коэффициент, учитывающий вышепере­численные факторы; Т_пл — абсолютная температура плав­ления данного вещества.

Минимальная температура рекристаллизации железа и других металлов технической чистоты определяется по формуле А. А. Бочвара:

T_peкp= (0,3...0,4)Т_пл.

Термическая операция, заключающаяся в нагреве де­формированного (текстурованного) материала до темпе­ратуры выше Т_рекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (в печи), называется рекристаллизационным отжигом.

Рис. 21. Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочненного деформацией.

Практически температура рекристаллизационного от­жига выбирается выше расчетной (обычно на 200...300°С), так как чем выше температура нагрева, тем быстрее про­текает рекристаллизация, характеризующаяся, в частно­сти, уменьшением твердости металла. Для же­леза и низкоуглеродистой стали температура рекристал­лизационного отжига принимается равной 650...700°С.

Для того чтобы в металле при нагреве протекала ре­кристаллизация, необходима его хотя бы минимальная предварительная холодная обработка (критическая сте­пень деформации ε_кр для железа равна 5...6 %, для мало­углеродистой стали — 7...15, для меди — около 5, для алюминия — 2...3 %). При рекристаллизации после де­формирования материала с ε_кр зерно растет в нем особен­но сильно и может увеличиться по сравнению с исходным во много раз. Выбирая степень деформации и температу­ру рекристаллизационного отжига, можно получить в металле зерно нужного размера. Рекристаллизационный отжиг широко используют для управления формой и раз­мерами зерен, текстурой и свойствами металлов и сплавов.

Создание текстуры и наклеп возможны только в слу­чае холодного деформирования металла. Обработка дав­лением называется холодной, если она совершается при температурах ниже температуры рекристаллизации, горячей — при температу­рах выше температуры рекристаллизации.

При горячей обра­ботке давлением одно­временно с пластиче­ской деформацией ме­талла протекает рекри­сталлизация, которая продолжается и после деформации до тех пор, пока температура ме­талла не станет ниже Т_рекр. При этом в металлах не возникает текстура и они не наклепываются. Такая обработка широко используется при производстве горячекатаного стального полуфабриката различного профиля.

Вопросы для самопроверки.

1. Что происходит в металле при упругой деформации?

2. Как протекает пластическая деформация?

3. Что такое текстура деформации?

4. Объясните упрочнение металла при пластическом деформировании.

5. Опишите свойства пластически деформированных металлов.

6. Как влияет нагрев на структуру и свойства наклепанных металлов?

7. Объясните сущность процесса рекристаллизации.

8. Какова технология рекристаллизационного отжига?

9. В чем разница между горячей и холодной обработкой металлов давлением?