Пластическая деформация
Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки. При возрастании напряжения атомы смещаются на значительные расстояния и занимают новые положения равновесия. Деформация становится необратимой. После снятия нагрузки устраняется только ее упругая составляющая.
Пластическая деформация в кристаллах осуществляется, в основном, скольжением атомных плоскостей относительно друг друга (рис. 21).
а б в г
Рис. 21. Схема пластической деформации идеального кристалла:
а – до деформации; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация;
г – после деформации (упругая составляющая исчезла, пластическая осталась)
Под действием силы P произошло смещение верхней части кристалла относительно нижней по плоскости mn. При этом у атома 1 сменился сосед: был 2, стал 4. Кажется, что это скольжение произошло путем одновременного разрыва межатомных связей по всей плоскости скольжения (между атомами 1 и 2, 3 и 4, и т. д.).
Зная энергию связи в кристалле, подсчитали теоретическую прочность (исходя из предположения об одновременном разрыве связей). Она оказалась огромной: в 100-1000 раз больше реальной. (Для железа, например, напряжение сдвига составляет 20 МПа, а по теоретическому расчету получается 13300 МПа.) Пришлось принять другую гипотезу: ввести понятие дефекта кристаллического строения (дислокации) и предположить механизм его перемещения. Тогда теоретическая прочность совпала с реальной.
Механизм пластической деформации: перемещение одной части кристалла относительно другой происходит за счет движения дислокаций.
Изобразим реальный кристалл, содержащий дислокацию (рис. 22). В области дислокации под нагрузкой атомы легко смещаются на расстояния, меньшие, чем межатомное. При этом происходит разрыв всего одной связи, между атомами 4 и 7 (рис. 22, а), зато возникает новая связь между атомами 1 и 7 – и дислокация перемещается на одно межатомное расстояние (рис. 22, б).
а б в
Рис. 22. Схема пластической деформации реального кристалла
Итак, в реальном, содержащем дислокации кристалле атомы смещаются под воздействием нагрузки на расстояния, меньшие межатомного, а дислокации при этом скачком перемещаются на целые межатомные расстояния. Процесс перемещения дислокаций продолжается до выхода на поверхность кристалла (рис. 22, в). Каждая дислокация при этом образует ступеньку шириной в одно межатомное расстояние. Но дислокаций – миллионы, поэтому их движение дает видимую пластическую деформацию всего кристалла (рис. 23).
Рис. 23. Деформация монокристалла, видимая невооруженным глазом
Пластическая деформация поликристалла происходит по такому же механизму (рис. 24). Скольжение идет в каждом зерне по множеству плоскостей, при этом меняется форма каждого зерна, а значит – и всего изделия. После пластической деформации микроструктура имеет характерный вид: зерна вытянуты в направлении действия наибольших напряжений.
Иногда кристаллическая решетка в каждом зерне получает определенную ориентацию относительно действующих напряжений. На рис. 25 это условно показано параллельными осями кристаллов. Такая ориентированная структура называется текстурой.
Скольжение дислокаций происходит легче всего в атомных плоскостях с максимальной плотностью атомов. Их называют плоскостями наилегчайшего сдвига. Расположение этих плоскостей в решетках металлов показано на рис. 26.
в ОЦК (Fea) в ГЦК (Feg) в ГПУ (Zn, Be)
Рис. 26. Плоскости (заштрихованы) и направления (показаны стрелками)
наилегчайшего сдвига в разных типах решеток
В заключение надо отметить, что скольжение дислокаций не связано с диффузией: нет переноса массы. Оно происходит даже при отрицательных температурах.
Разрушение
Разрушение – это разделение монолитного металла на части.
Разрушение состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождение трещины и 2) ее распространение или рост.
Механизм зарождения трещины: скопление движущихся дислокаций перед препятствием.
Препятствиями для движения дислокаций являются:
1) границы зерен (рис. 27, а). Дислокации движутся в определенных атомных плоскостях и не могут продолжать скольжение сквозь границу, так как в соседнем зерне атомные плоскости ориентированы по-другому;
2)
пересечение дислокаций, движущихся в разных плоскостях скольжения (рис. 27, б).
а б
Рис. 27. Зарождение трещин
Около сотни дислокаций, скопившихся перед препятствием, создают трещину опасного размера. Напряжение в зоне дислокаций у границы зерна на 3 порядка больше среднего напряжения в данном сечении.
Распространение трещины может идти:
1) за счет внешних сил, подвода энергии извне. Если убрать внешнюю силу, то разрушение приостанавливается. Это – вязкое разрушение;
2) за счет внутренних напряжений, без подвода энергии извне. Это быстрое, неостановимое разрушение называется хрупким. Осуществляется путем отрыва одного слоя атомов от другого, напряжение у вершины трещины превышает предел прочности металла.
Вид излома, полученного в результате вязкого и хрупкого разрушения показан на рис. 28.
Хрупкому разрушению предшествует малая пластическая деформация, вязкому – значительная.
Зародыши вязкой и хрупкой трещины тоже отличаются: зародыш хрупкой трещины острый, имеет очень маленький радиус при вершине; зародыш вязкой трещи ны – тупой, с большим радиусом.
Расчеты Гриффитса показали, что острая трещина длиной в 1 мкм может в 100 раз снизить предел прочности материала.
|
Лекция 5
Дата добавления: 2017-02-13; просмотров: 2567;