Пластическая деформация и механические свойства металлов

Обновлено: 02.07.2024

Под воздействием приложенных из вне нагрузок металлы могут деформироваться в упругой области (без остаточных явлений), а именно без изменения размеров и деформироваться пластически, когда изменяется форма и размеры деформируемого металла.

Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.

При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих критическую величину.

Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо одного.

Механические св-ва Ме.

Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.

пц. При растяжении большем s_пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается.

s_пц – получила название предел пропорциональности, который равен:

При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический):

Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пределом текучести.

s₀₂ – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%;

s_в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца.

Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:

d - относительное удлинение;

y - относительное сужение.

К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).

Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.

Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRC_э.

Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.

После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккерсу HV.

Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.

В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.

Ударная вязкость является динамической характеристикой. Образец помещается в крепление и с определенной высоты на него падает маятник, работа тратиться на разрушение образца; ударная вязкость обозначается КСU или КС. Обозначение зависит от формы образца, если образец с подрезом (U-образным), то принимается первое обозначение, если без надреза – второе. С надрезом изготавливаются образцы сравнительно вязких материалов, без надреза – хрупких материалов.

Пластическая деформация и механические свойства металлов

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил либо внешних, либо возникающими при различных физико-механических процессах, проходящих в самом теле. Отношение силы, действующей на тело, к некоторой площадке F называется напряжением.

· Пластическая - не устраняется после снятия нагрузки, меняя форму, размер, структуру, свойства тела.

Пластическая деформация как в моно- , так и в поликристаллах осуществляется за счет скольжения и двойникования.

Скольжение – сдвиг одной части кристалла относительно другой по плоскостям и направлениям с наиболее плотным расположением атомов.

Осуществляется за счет движения дислокаций, смещается небольшая группа атомов на расстояние меньше межатомного. Пробег многих дислокаций приводит к макросдвигу.

Двойникование – деформация в решетке ОЦК, ГЦК, ГПУ. Происходитпереориентация части кристалла вположение, симметричное по отношению к первой части (зеркальноеотражение).

АВСД – полоса двойникования.Наблюдается при больших степеняхдеформации, может появиться привибрации, при ударе во время падения.

В поликристалле процессы скольжения и двойникования идут в каждом зерне. Переход дислокаций из одного зерна в другое невозможен. Передача деформации от зерна к зерну происходит эстафетным путем.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных механических сил (нагрузок). Механические свойства определяются при механических испытаниях по специально разработанным методам.

· Статические испытания – на растяжения, сжатие, твердость, изгиб, кручение при статическом нагружении. Статические нагрузки приложены постоянно или плавно возрастают. Основные статические испытания – на растяжение (ГОСТ 1497-84) на разрывных машинах с построением диаграммы (кривой) растяжения. Эти испытания определяют свойства прочности - σ_пц, σ_0,2, σ_в и пластичности δ, ψ материала.

o Испытания на растяжение – определение характеристик прочности и пластичности.

o Испытания на твердость Твердость – способность материала сопротивляться местной пластической деформации при внедрении в него другого, более твердого материала (индентора).

§ Твердость по БринеллюHB(Шарик)

§ Твердость по Роквеллу HR (Алмазный конус)

§ Твердость по Виккерсу HV (Индентор – четырехгранная пирамида)

· Динамические испытания – на ударный изгиб при динамическом нагружении. Динамическая нагрузка – ударная, возрастает резко с большой скоростью. Динамические нагрузки чаще всего являются причиной хрупкого разрушения материала. Испытания проводят на приборе – маятниковом копре (ГОСТ 9454-78) на специальных образцах с надрезом. Надрез является концентратором напряжений. Определяется ударная вязкость КС.

· Усталостные испытания при знакопеременном (циклическом) напряжении. Знакопеременные нагрузки – многократные прикладываемые, изменяющиеся по величине и направлению. При этом развивается явление, которое носит название усталости металла – постепенное накопление повреждений (трещин), приводящих к разрушению. Испытания проводят методом изгиба при вращении (ГОСТ 25.502-79).

· Другие виды испытаний:

o - испытания на жаропрочность;

o - технологические испытания на изгиб, осадку, перегиб, выдавливание (для определения способности металла к пластическому деформированию).

Пластическая деформация и механические свойства

Под механическими свойствами металла (или другого материала) понимают характеристики, определяющие его поведение под действием приложенных к нему внешних механических сил в виде статической, динамической или знакопеременной нагрузок.

К механическим свойствам относят прочность - сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению и пластичность - способность металла к необратимой без разрушения деформации (остающейся после удаления деформирующих сил).

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация вызывается внешними силами, приложенными к телу, или происходящими в самом теле физико-механическими процессами (например, изменение объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).

Виды напряжений

В случае одноосного растяжения возникающие в теле напряжения равны. Сила Р, (рис. 7) приложенная к некоторой площадке F, обычно направлена к ней под некоторым углом. Поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднородным распределением деформаций (в том числе и микродеформаций) по объему тела.

Рекомендуемые материалы

Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин внутренних дефектов металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (нормальные напряжения бывают растягивающими и сжимающими) (см. рис. 7). Действие надрезов, сделанных в образце, аналогично конфигурации изделий, имеющих сквозные отверстия, резьбу и т.п., или влиянию внутренних дефектов металла (неметаллических включений, графитных выделений в чугуне, трещин и др.), нарушающих его цельность. Поэтому всевозможные надрезы, отверстия, галтели и другие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений.

Напряжения вызываются различными причинами. Различают временные, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми.

Кроме того, напряжения возникают в процессе кристаллизации, при неравномерной деформации, при термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т.д., эти напряжения называют фазовыми или структурными.

Внутренние напряжения классифицируют на:

Напряжения 1 рода (или зональные), называемые также макронапряжениями, они уравновешиваются в объеме всего тела, возникают главным образом в результате технологических процессов, которым подвергают деталь в процессе ее изготовления.

Напряжения 2 рода уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен), их называют иначе микронапряжениями. Чаще всего они возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.

Напряжения 3 рода, локализующиеся в объемах кристаллической ячейки, представляют собой статические искажения решетки, т. е. смещения атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки.

Упругая и пластическая деформация

Упругой 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 незначительное, полностью обратимое смещение атомов, или поворот блоков кристалла. После снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры.

При достижении касательными напряжениями предела или порога упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение - смещение отдельных частей кристалла - одной части относительно другой происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины.

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию напряжений сдвига, показана на рис.9..

Скольжение в кристаллической решетки протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу (τ ) наименьшее. 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.

Пластическая деформация металлов с плотноупакованными решетками К12 и Г12, кроме скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования (рис. 8). Двойникование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.

Изменение структуры металлов при пластической деформации

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

При больших степенях деформации вследствие скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. Так, до деформации зерно имело округлую форму. После деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующихся сил получила название текстура деформации.

Наклеп. С увеличением степени холодной деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_в, σ_{0, 1} твердость и др.), повышаются, а способность к пластической деформации - пластичность(δ и ψ ) уменьшается. Упрочнение металла в процессе пластической деформации получило название наклепа.

Сверхпластичность. Виды, определение, способы получения.

Разрушение металлов

При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий - зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (изделия). Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокации перед препятствием (границы субзерен, зерен, межфазные границы, всевозможные включения и т. д.), что приводит к концентрации напряжений, достаточных для образования микротрещины.

Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение происходит со значительной пластической деформацией; при хрупком разрушении пластическая деформация мала.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным" или "катастрофическим" разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю.

По виду микроструктуры различают разрушение транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

Пути повышения прочности, и пластичности, металла

Увеличение прочности металла повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин. Реально достигнутая прочность металла (техническая прочность) значительно ниже теоретической.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны бы иметь материалы согласно физическим расчетам сил сцепления в твердых телах. Низкая прочность (сопротивление деформации) металла объясняется легкой подвижностью дислокации. Следовательно, для повышения прочности или необходимо устранить дислокации или повысить сопротивление их движению. Сопротивление их движению дислокации возрастает при взаимодействии их друг с другом и с различного рода другими дефектами кристаллической решетки, создаваемыми при обработке металла.

Дефекты решетки оказывают на сопротивление металла деформации двоякое влияние. С одной стороны, образование в металле дислокации ослабляет металл. С другой стороны, дефекты кристаллического строения упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокации.

Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокации А, приближенно оцениваемой – 10 6 -10 8 см -2 . Эта величина относится к отожженным металлам. Если количество дефектов (плотность дислокации) не превышает величины А, то уменьшение их содержания резко увеличивает сопротивление деформации. Прочность в этом случае быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы размером 2-10 мм и толщиной от 0, 5 до 2, 0 мкм, практически лишенные дефектов кристаллической решетки (дислокации). Эти нитевидные кристаллы, названные английскими учеными "усами" (whisker), обладают прочностью, близкой к теоретической. Отсутствие дефектов в усах объясняется условиями их роста и малыми размерами. Увеличение размера усов сопровождается резким снижением прочности. При толщине более 0, 25 мкм усы железа по

Механические свойства при статических испытаниях

К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб.

Рис. 8. Диаграмма растяжения металлов

Кривая 1 (рис. 8) характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений, величина которых является условной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца (F₀).

Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений S, величина которых является истинной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (σ_п.ц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т.е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.

Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0, 05% (или еще меньше) от первоначальной длины образца.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0, 2 %, называют условным пределом текучести (δ_{0, 2}).

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение и относительное сужение: δ =(l_k-l₀)*100%/l₀ ; ψ =(F₀-F_k)*100%/F₀, где l₀ и l_k - длина образца до и после разрушения;

F₀ и F_k - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

Определение показателей прочности металла σ_в, σ_т.

Вязкость разрушения (трещиностойкость) К_1С.

Определение твердости HB, HR, HV и микротвердости металлов. Методы, обозначения.

Механические свойства, определяемые при динамических испытаниях: KCV, RCU, KCT.

Порог хладноломкости t₅₀.

Механические свойства при циклических испытаниях: σ_R, σ_-1.

3. Пластическая деформация и механические свойства металлов

Материал при приложении к нему внешних сил деформируется. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после прекращения действия приложенных сил. При упругом деформировании атомы обратимо смещаются от положения равновесия, т.е. колеблются около своего среднего положения и после снятия нагрузки возвращаются в него. При пластическом ─ атомы обмениваются местами, вследствие чего деформация становится необратимой.

Деформация может происходить путем скольжения и двойникования. На свойства металлов большое влияние оказывает их дислокационная структура. Прочность бездислокационных кристаллов (теоретическая прочность) в сотни раз превышает прочность реальных материалов. При плотности дислокаций порядка 10 6 …10 8 см -2 , характерной для чистых неупрочненных металлов, сопротивление деформированию наименьшее. При увеличении плотности сверх указанных значений подвижность дислокаций снижается, что сопровождается ростом прочности. Эффективными способами повышения плотности дислокаций (и других дефектов) и снижения их подвижности являются легирование, пластическое деформирование (деформационное упрочнение), упрочняющая термическая и химико-термическая обработка.

Состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво. Переход в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, протекающие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизация.

Под возвратом понимают все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств. При возврате различают стадии: отдых и полигонизация. Отдых охватывает изменения в тонкой структуре (в основном уменьшение количества точечных дефектов). Полигонизация ─ процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникшими при скольжении и переползании дислокаций, которые выстраиваются в виде стенок.

Под рекристаллизацией понимают группу явлений, охватывающих процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. Размер рекристаллизованных зерен зависит от величины перегрева выше температурного порога рекристаллизации и от степени предшествующей пластической деформации. Степень деформации, 3…8 %, при которой нагрев деформированного тела приводит к существенному росту рекристаллизованных зерен, называется критической. Такие степенями деформации на практике не используются. Температура рекристаллизации зависит от температуры плавления металла и определяется по формуле Т_рекр= αТ_пл, где Т_рекр и Т_пл ─ абсолютные температуры рекристаллизации и плавления; α ─ коэффициент, зависящий от чистоты металла. Чем чище металл, тем он меньше. Для технически чистых металлов α равен 0,4.

Если деформирование металла происходит при температуре, ниже температуры рекристаллизации, то обработка давлением называют холодной и сопровождается повышением твердости и прочности металла. Это явление называется наклепом. При обработке, ведущейся выше температуры рекристаллизации, упрочнение снимается рекристаллизационными процессами. Такая обработка называется горячей.

Механическими называют свойства материала, определяющие его сопротивление действию внешних механических нагрузок.

Прочность металла при статическом нагружении ─ это свойство, определяющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стандартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел текучести и временное сопротивление разрушению.

Пределом упругости называют напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями (например, 0,005 % ─ σ_0,005).

Предел текучести (условный) ─ это напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2 % (σ_0,2). Предел текучести физически устанавливают по диаграмме растяжения, если на ней есть площадка текучести.

Временное сопротивление разрушению σ_в характеризует максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца. Различают напряжения условные и истинные. Условным напряжением называют отношение величины нагрузки к исходному сечению образца, истинным ─ к сечению, которое образец приобрел к моменту достижения данной нагрузки. Диаграммы растяжения пластичных металлов с условными напряжениями отличаются от диаграмм с истинными напряжениями.

Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, надежности и долговечности.

К критериям прочности при статических нагрузках относят σ_в ( при оценочных расчетах пластичных материалов используют твердость) или σ_0,2, модуль упругости. В некоторых случаях необходимо учитывать удельные характеристики, критерии жаропрочности.

Твердость характеризует свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях.

Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость) характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой отношение соответствующих характеристик материала к его плотности.

Жаропрочные материалы характеризуются длительной прочностью и ползучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызывающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при заданной температуре.

Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому разрушению. Важными критериями надежности являются пластичность (относительное удлинение ─ δ, относительное сужение ─ ψ), вязкость разрушения (К_1с), ударная вязкость (КСU, КСV, КСТ), хладноломкость.

δ и ψ характеризуют изменения геометрических параметров стандартных образцов при напряжении, вызывающем разрушение.

К_1с показывает, какой интенсивности достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Ударная вязкость ─ это сопротивление разрушению при динамических нагрузках.

Хладноломкость определяет влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости характеризуется температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть форму и размер зерен, т. к. излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение заданного времени.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок. Выносливость зависит от живучести, определяющей продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости (размером 0,5…1,0 мм) до разрушения. Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с мелкозернистым, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону излома, носящую характер вязкого или хрупкого (в зависимости от свойств металла) разрушения.

При циклическом нагружении разрушение начинается в местах концентрации напряжений (деформации), локализующихся на различных повреждениях поверхностного слоя. Поверхностное упрочнение (химико-термическая обработка, поверхностная закалка, пластическое деформирование) эффективно снижает роль концентраторов, затрудняя деформацию поверхности деталей.

Механизм пластической деформации. Сущностью ПД является сдвиг, в результате которого одна часть кристалла смещается по отношению к другой. Сдвиг происходит за счет движения дислокаций. Существуют две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. Деформация скольжением представляет собой смещение атомов в тонких слоях монокристалла по плоскостям скольжения, на которых плотность атомов максимальна. Деформация двойникованием происходит в основном при ударных нагрузках. При этом часть кристалла перестраивается в положение семмитричное по отношению к не деформируемой части. Деформация за счет двойникования всегда меньше, чем скольжения.

Деформация монокристаллов состоит в том, что вдоль плоскости скольжения движутся друг за другом дислокации. Они могут выходить на поверхность кристалла, образуя линии и полосы скольжения. С ростом деформации скольжение распространяется на многие эквивалентные системы. При этом дислокации движутся в пересекающихся плоскостях, что тормозит их движение и металл упрочняется.

Способность металла к ПД зависит от многих факторов: температуры нагрева, химического состава, исходной структуры, скорости деформирования, схем главных напряжений и деформаций.

Так же на свойства металлов большое влияние оказывает их дислокационная структура. При плотности дислокаций порядка 10 6 …10 8 см -2 , характерной для чистых неупрочненных металлов, сопротивление деформированию наименьшее. При увеличении плотности сверх указанных значений подвижность дислокаций снижается, что сопровождается ростом прочности. Эффективными способами повышения плотности дислокаций (и других дефектов) и снижения их подвижности являются легирование, пластическое деформирование (деформационное упрочнение), упрочняющая термическая и химико-термическая обработка.

Процесс ПД в металле связан с появлением нормальных и касательных напряжений. Нормальные напряжения соответствуют деформации растяжения или сжатия. Касательные деформации сдвига.

В зависимости от способа приложения внешних сил напряжённое состояние деформируемого тела может быть представлено 9 схемами главных напряжений: двумя линейными, тремя плоскими и четырьмя объёмными. На практике при ОМД реализуются лишь две схемы – О₁ и О₂ рис. 3.2, а.

Схемы деформаций могут быть различными. Основными из них являются Д₁, Д₂, Д₃ (рис. 3.2, б). Примером Д₁ может служить прокатка узкой полосы, Д₂ – прокатка широкой полосы, Д₃ – протягивание полосы через отверстие.

Рис. 3.2. Схемы главных напряжений (а) и главных деформаций (б).

Влияние нагрева на процессы при ПД металла. При холодной пластической деформации (ХПД) происходит физическое упрочнение металла – наклеп. С увеличением деформации прочностные свойства растут, а пластичность уменьшается. Наиболее интенсивно металл упрочняется при деформации до 40%. При деформации 80-90% металл теряет свою пластичность и разрушается в результате высоких внутренних напряжений. Кроме того, с ростом деформации возрастает удельная электросопротивление, понижается магнитная проницаемость, повышается склонность к коррозии. Наклеп поверхностного слоя повышает сопротивление усталости. В результате интенсивного течения металла зерна вытягиваются и образуется текстура деформации. Упрочнение и структура зерна металла, полученные при ХПД, являются неустойчивыми и могут быть изменены с помощью нагрева (термической обработки).

Нагрев чистых металлов до температуры Т=(0,2-0,3)Т_пл сопровождается возвратом, при котором изменений в микроструктуре металла не наблюдается, происходит только уменьшение дефектов кристаллического строения.

При нагреве деформированного металла до температур Т≥ (0,3-0,8)Т_пл устраняются не только внутренние напряжения и упрочнение, но и восстанавливается структура металла. Происходит образование и рост новых равноосных зёрен. Такой процесс называется рекристаллизацией. Деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после критической степени деформации (ε = 2-8% для Al, Cu, Fe). Эффект рекристаллизации не зависит от последовательности её проведения (после или одновременного с деформацией).

В реальных условиях деформация производится в широком интервале температур. При этом одновременно с разупрочнением протекают процессы упрочнения. В зависимости от их соотношения различают холодную пластическую деформацию (ХПД), сопровождаемую наклёпом; неполную ХПД, при которой протекает процесс возврата без следов рекристаллизации, неполную горячую пластическую деформацию (ГПД), сопровождающуюся возвратом и частично рекристаллизацией; ГПД, при которой протекают все процессы разупрочнения и рекристаллизация.

При ГПД пластичность металлов значительно выше, чем при ХПД. Следовательно, энергетические затраты на ГПД значительно ниже. При ГДП стальных слитков неметаллические включения (S, P и др.) ориентируются в направлении течения металла. Несмотря на протекание рекристаллизации, неметаллические включения сохраняют ориентированную (вытянутую) форму, придавая стали волокнистое строение. Последующая обработка, в том числе и термическая, не устранит волокнистое строение. С помощью обработки давлением можно лишь менять направление волокон. Полученное волокнистое строение вызывает анизотропию механических свойств (δ, ψ, а_н).

Читайте также: