Деформацией называется изменение размеров и формы тела под воздействием приложенной нагрузки. Сила, приложенная к телу, обычно не перпендикулярна к нему, анаправлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения подразделяют на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой деформацией называют деформацию, которая исчезает после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных изменений в структуре исвойствах металла, так как под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное смещение атомов из положения равновесия. После снятия нагрузки смещенные атомы возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают свою исходную первоначальную форму и размеры.
При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. После снятия нагрузки устраняется лишь упругая составляющая, а остаточные деформации не исчезают. Т.е. пластическая деформация или остаточная - это деформация, которая сопровождается изменением формы и размеров образца. При этом изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства.
Пластическая деформация лежит в основе многих технологических способов обработки металлов давлением: прокатки, ковки, штамповки, прессования и т.д.
Механизмы пластической деформации.
Основными механизмами пластической деформации являются:
- скольжение;
- двойникование;
- межзеренное перемещение.
Первые два характерны для деформации монокристалла, т.е. происходят в пределах одного зерна. Межзеренное перемещение происходит при деформации поликристаллического материала. Скольжение под действием касательных напряжений приводит к сдвигу атомных плоскостей друг относительно друга.
Схема деформации металла под действием напряжения сдвига τ:
а) – скольжение, б) - двойникование
Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостямс наиболее плотной упаковкой атомов в направлениях сминимальными межатомными расстояниями, где сопротивление сдвигу наименьшее.
Плоскости легкого скольжения различаются в металлах сразным типом кристаллической решетки. Скольжение в металлах с кубическими решетками происходит во многих направлениях, поэтому такие металлы легко деформируются и обладают более высокой пластичностью, чем металлы с гексагональной решеткой. Процесс скольжения не следует представлять как одновременное смещение одной части кристалла относительно другой, так как такой сдвиг потребовал бы огромных напряжений на синхронный разрыв межатомных связей. Механизм скольжения связан с движением дислокаций в кристаллической решетке. Перемещение дислокации в плоскости скольжения через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом наповерхности кристалла образуется ступенька.
Схема сдвига в кристалле в результате перемещения дислокаций.
Двойникование осуществляется путем переориентацииодной части кристалла зеркально симметрично относительно другой. Симметричные части кристалла оказываются разделенными плоскостью двойникования. Двойникование, как искольжение, сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. Механизм двойникования характерен, главным образом, для металлов, с плотноупакованными решетками К12 и Г12. В металлах с ОЦК-решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформации и низких температурах. При деформации поликристаллического материала, кроме рассмотренных механизмов скольжения и двойникования, происходит межзеренное перемещение, которое приводит к изменению формы зерен. Механизм переориентировки зерен можно представить в такой последовательности. В начале под действием приложенных сил начинается сдвиговая пластическая деформация в зернах, плоскости скольжения которых близки по направлению вектору максимальных касательных напряжений, а также по плоскостям, плотность дислокаций в которых максимальна. Затем последовательно в процесс включаются плоскости, в которых сопротивление сдвигу более высокое. Одновременно происходит смещение и поворот соседних зерен, т.е. переориентация их в пространстве по отношению к действующим силам. Зерна, переориентированные в положения, благоприятные для деформирования, включаются в этот процесс, вызывая поворот других, соседних с ними зерен, и т.д. В результате в металле, подвергнутом значительной пластической деформации, формируется волокнистая структура с зернами, вытянутыми в направлении приложенных сил.
Изменение формы зерен в металле под действием пластической деформации: а) – до деформации, б) – после деформации
При больших деформациях в зернах возникает преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей относительно внешних деформационных сил, которая получила название текстуры деформации. Образование текстуры сопровождается появлением анизотропии механических и физических свойств, т.е. свойства поликристаллав различных направлениях окажутся неодинаковыми. Текстура деформации создает кристаллическую анизотропию, при которой наибольшая разница свойств проявляется для направлений, расположенных под углом 45o друг к другу. С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются. Также повышается электросопротивление, снижаются сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная проницаемость. Упрочнение металла в процессе пластической деформации вызвано:
- увеличением плотности дефектов кристаллического строения (вакансий, межузельных атомов);
- увеличением плотности дислокаций до 10 в 11…10 в12 степени см-2;
- искажением кристаллической решетки;
- дроблением зерен.
Уровень деформационного упрочнения зависит от кристаллического строения металла: металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК-решеткой.
Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.
Состояние наклепанного металла является неравновесным, и, в связи с этим, термодинамически неустойчиво. При нагреве деформированного металла происходит его переход в более стабильное состояние, так как при повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов, создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества. Процессы, происходящие при нагреве, проходят последовательно несколько стадий, их подразделяют на возврат и рекристаллизацию. Температурные интервалы этих процессов индивидуальны для каждого металла и определяются в зависимости от температуры плавления Тпл.
Возврат.
При нагреве до Т = (0,2…0,3 ) Тпл. начинается процесс возврата, который заключается в повышении структурного совершенства наклепанного металла без заметных изменений структуры и свойств. Первая стадия возврата - отдых металла. При нагреве дотемпературы 0,2 Тпл. активизируются диффузионные процессы. В связи с этим происходит уменьшение числа точечных дефектов засчет их поглощения дислокациями и стока к границам зерен, а также частичное снятие внутренних напряжений. Вторая стадия возврата – полигонизация, т.е. фрагментация зерен на полигоны (субзерна) с малоугловыми границами. Процесс полигонизации имеет дислокационный механизм. В результате деформации металла дислокации в зернеоказываются расположенными неупорядоченно. При нагреве до температуры (0,25…0,3)Тпл. дислокации становятся подвижными: взаимодействуя, дислокации различных знаков аннигилируют, а избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стенки, образуя границы субзерен.
Схема процесса полигонизации, а) – распределение дислокаций после деформации, б) – распределение дислокаций после полигонизации и образование субзерен
Рекристаллизация.
Температура начала рекристаллизации.
При дальнейшем повышении температуры диффузионная подвижность атомов возрастает, что приводит к изменениям в микроструктуре - зарождению новых равноосных зерен. Образование новой структуры из равноосных зерен взамен вытянутых зерен деформированного металла называется рекристаллизацией. Температура, при которой появляются первые равноосные зерна, называется температурой начала рекристаллизации.
