Сопротивление металла пластической деформации

Обновлено: 19.05.2024

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 (σв, σ0, 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 (σп.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 (δ0, 2).

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

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

Определение показателей прочности металла σв, σт.

Вязкость разрушения (трещиностойкость) К1С.

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: σR, σ-1.

Пластичность металлов и сопротивление металлов пластической деформации

Пластичностью называют свойство металлапод действием сил изменять свою форму и размеры без разрушения. Пластич­ность представляет собой сложную характеристику металла и зависит от целого ряда факторов. Основными факторами, оп­ределяющими пластичность металла при обработке давлением, являются химический состав и структура металла, темпера­тура, скорость деформации, а также схема напряженного состояния.

В значительной степени на пластичность влияет химический состав металла. Наибольшую пластичность проявляют чистые металлы. Примеси, и даже ничтожное их содержание, как правило, значительно снижают пластичность. Примеси, растворяясь в небольших количествах, образуют хрупкие сетки по границам зерен. Такие примеси называют вредными. Вместе с тем некоторые примеси повышают пластичность, подавляя вредное влияние других примесей. Так, в стали содержание углерода до 0,8–1 %незначительно уменьшает пластичность металла. Дальнейшее повышение содержания углерода приводит к тому, что сталь в литом состоянии можно обрабатывать только ковкой.

При рассмотрении влияния структуры металлана пластич­ность различают литую структуру и деформированную. Металл в литом состоянии обладает меньшей пластичностью, чем в деформированном состоянии. Структурная неоднородность ли­того металла, которая выражается в различном строении дендритов, дендритной и зональной ликвации, наличии не­плотностей и неравномерном распределении примесей снижает его пластичность.

После горячей пластической деформации литого металла структурная неоднородность его уменьшается и повышается его пластичность.

Как правило, пластичность металлов повышается с повышениемтемпературы. Наибольшую пластичность металлы имеют между температурой рекристаллизации и температу­рой плавления. Пластичность с ростом температуры уве­личивается не монотонно. Это объясняется тем, что некото­рые примеси и легирующие добавки образуют легкоплавкие соединения (эвтектики), которые при некоторых температу­рах резко уменьшают пластичность.

Когда температура нагрева близка к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева (интенсивный рост зерна) и пережога (окисление границ зерен).

Действие скорости деформации на пластичность при го­рячей деформации зависит от протекающих одновременно в металле двух процессов: упрочнения (наклепа) и разупроч­нения (рекристаллизации). Скорость упрочнения металла определяется скоростью деформации, а скорость разупрочнения – скоростью рекристаллизации, которая зависит от тем­пературы нагрева металла.

С увеличением скорости деформации при холодной обра­ботке давлением в обрабатываемом металле выделяется боль­ше тепла деформации, которое может вызывать отчасти раз­витие процесса разупрочнения и, следовательно, повысить пластичность металла.

При обработке давлением большое влияние на пластичность металла оказывает схема напряженного состояния. Положительное влияние на пластичность оказывают сжимающие напряжения, а отрицательное – растягивающие. Проявление пластических свойств металла зависит не только от того, какие напряжения к нему приложены – растягивающие или сжимающие, но и от величины этих напряжений, которая оп­ределяется значением среднего дав­ления:

где – среднее давление, МПа;

, , – главные напряжения, МПа.

В зависимости от того, какие по величине и по знаку прикладываются к обрабатываемому материалу напряжения, он может находиться в хрупком или пластическом состоянии. Например, в условиях всестороннего растяжения весьма пластичные материалы, как низкоуглеродистая сталь, пере­ходят в хрупкое состояние. С другой стороны, при всесто­роннем сжатии такие хрупкие по своей природе материалы, как песчаник и мрамор, могут обладать пластичностью, т.е. устойчиво изменять свои форму и размеры без разрушения. Некоторые металлы (например, магний и его сплавы, ряд жа­ропрочных сплавов и др.) успешнее пластически деформируются тогда, когда более ярко проявляется схема всестороннего сжатия. Поэтому на практике при обработке металлов давлением стремятся создать схему, близкую к всесторонне­му сжатию, которая обеспечивает самую высокую пластич­ность.

Наряду с пластичностью важной технологической характе­ристикой металлов является сопротивление пластической де­формации. Эта характеристика дает количественную оценку податливости обрабатываемого металла и имеет большое зна­чение при назначении технологических режимов прокатки ме­талла, определяя силовые условия процесса. Чем выше со­противление деформации металла, тем ниже его податливость обработке давлением и тем труднее его обрабатываемость. Металл, обладающий большим сопротивлением деформации, об­рабатывают с меньшими обжатиями и при этом используют большие усилия и более мощное оборудование.

Сопротивление пластической деформации при обработке давлением также зависит от ряда факторов: химического состава металла; температуры, при которой деформируется металл; скорости и степени деформации; напряжен­ного состояния деформируемого металла.

Химический состав обрабатываемого металла, его кристаллическая решетка в значитель­ной степени влияют на сопротивление пластической деформа­ции. Тугоплавкие металлы имеют более высокие значения со­противления пластической деформации, чем легкоплавкие. Как правило, легирующие примеси повышают сопротивление плас­тической деформации. Температура является наиболее сильно действующим фактором. Понижение сопротивления пластичес­кой деформации с повышением температуры часто не имеет плавный характер.

При относительно низких температурах сущест­венное влияние на сопротивление пластической деформации оказывает наклеп (упрочнение). При наклепе сопротивление деформации металлов повышается. Это явление наблюдается при холодной прокатке у большинства металлов, за исключе­нием свинца и олова, температура рекристаллизации которых не превышает комнатную температуру.

При горячей обработке металлов влияние наклепа тесно связано с влиянием скорости деформации, т.е. приращением степени деформации за единицу времени. Сущность этого яв­ления заключается в следующем. При деформировании металла протекающая в нем рекристаллизация осуществляется проти­воположно процессу наклепа. Однако скорость рекристалли­зации в большинстве случаев отстает от скорости деформа­ции и, тем самым, не полностью снимается наклеп металла. Следовательно, чем выше скорость деформации, тем меньше полнота протекания рекристаллизации, и тем выше сопротив­ление пластической деформации.


Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Сопротивление деформации при ОМД. Факторы влияющие на сопротивление деформации.

Сопротивление деформации зависит от природы деформированного металла, температуры, степени и скорости деформации и характера напряженного состояния. Опытным путем получают значение сопротивления деформации при строго определенных условиях. Для всех остальных условий вводят эмпирические коэффициенты. В самом общем виде сопротивление деформации определяется по формуле:

где –предел текучести материала, т.е. сопротивление деформации при фиксированных условиях (в частности, при горячей прокатке базовыми являются следующие параметры: t = 1000 °C, = 10 с -1 , = 0,1);

– коэффициенты, учитывающие влияние температуры, скорости и степени деформации, контактного трения и других факторов (внешних зон, натяжения и др.) Коэффициенты являются эмпирическими и берутся в основном из справочников.

Влияние природных свойств металла. Различные металлы обладают различным сопротивлением деформации, что связано с их химическим составом, строением атомов и кристаллической структурой. Податливость металла деформирующим усилиям оценивается пределом текучести .

Влияние температуры.У всех металлов сопротивление деформации при нагреве уменьшается, принимая минимальное значение вблизи Тпл. Но это уменьшение происходит не монотонно. Это объясняется переходом металла в новую кристаллическую модификацию (при t = 700-900 o C), т.е. происходит рекристаллизация металла, он разупрочняется.

Для аналитической зависимости сопротивления деформации от температуры существует несколько формул. Наиболее известная из них:

где Т – абсолютная температура (К), М и m – коэффициенты, зависящие от природы металла. Для практических расчетов берут М = 412,4 и m = 34,4*10 -4 .

Характер изменения сопротивления деформации от температуры зависит от химического состава сплава. Легирующие примеси повышают сопротивление деформации, особенно при высоких температурах. Для расчетов при горячей прокатке используют формулу:

где t – температура, о С; С, Mn, Cr – содержание углерода, марганца и хрома, %.

Влияние наклепа (степени деформации) и скорости деформации. При низких температурах за счет наклепа сопротивление деформации может увеличиваться в 3-4 раза. Наиболее резко это влияние сказывается на первых стадиях обработки, до получения суммарной деформации в 40-50%. Зависимость между сопротивлением деформации и степенью деформации изображают кривыми деформации. Для практических расчетов принимают, что при холодной обработке металлов давлением сопротивление деформации не зависит от скорости деформации.

При горячей обработке влияние наклепа тесно связано с влиянием скорости деформации. В этом случае одновременно протекают процессы, действующие на сопротивление деформации в противоположных направлениях: упрочнение (наклеп) и разупрочнение (рекристаллизация). Оба эти процесса протекают во времени с различной скоростью. Чем выше скорость деформации (а значит и скорость образования наклепа), тем меньше полнота протекания рекристаллизации, а значит, выше сопротивление деформации.

Для определения этой зависимости существует множество эмпирических формул. В частности, при холодной прокатке для определения сопротивления деформации можно использовать формулу:

где - предел текучести материала (базовое значение сопротивления деформации), K, n – эмпирические коэффициенты (зависят от марки стали), - суммарная степень деформации.

Для определения сопротивления деформации при горячей обработке давлением А.В. Третьяков и В.И. Зюзин предложили следующую формулу:

где – степень деформации, – скорость деформации, Т – температура ( o C), a, k, l, m – коэффициенты, зависящие от марки стали. Формула действительна для = 0,05-0,40; = 0,1–100 с -1 .

Влияние контактного трения. Силы трения мешают изменению размеров тела. В результате их действия схема одноосного сжатия превращается в схему всестороннего сжатия. Разложим полное сопротивление деформации на две составляющие: ,где k – характеризует свойства металла с учетом наклепа, скорости и температуры деформации, а q – характеризует влияние трения. Тогда q = C/h, где С – коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения, а h – толщина образца. Отсюда видно, что при большой толщине влияние трения на сопротивление деформации незначительно и им можно пренебречь, а при приближении толщины к нулю . Например, при прокатке полос малой толщины для снижения сопротивления деформации стремятся уменьшить коэффициент контактного трения путем тщательной обработки поверхности валков и применения смазок, или искусственно увеличивая толщину заготовки, прокатывая несколько сложенных вместе полос (прокатка пакетом).

Механизмы пластической деформации металлов

носительно равновесного положения. Однако это смещение не безгранично, и при достижении ими превыша­ющего расстояния между атомами в исходном состоянии ато­мы не возвращаются в исходное положение, а занимают новое равновесное положение, связь между атомами в этом случае не нарушается. В результате происходит пластическая деформация или остаточное изменение формы и размеров твер­дого тела.

В общем случае пластическая деформация в металлах осуществляется двумя путями: скольжением и двойникованием.

Скольжение происходит при сдвиге одной части монокрис­талла относительно другой. Сдвиги происходят по опреде­ленным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Эти плоскости и направления принято называть плоскостями и направлениями скольжения. Скольжение в кристаллической решетке происходит по плоскостям с наибольшей плотностью размещения атомов, а направлениями скольжения являются те направления, по которым расстояния между атомами имеют минимальную величину.

Скольжение по определенным плоскостям начнется тогда, когда касательные напряжения в них достигнут вполне опре­деленной критической величины, и осуществляется путем последовательного смещения атомов (отдельных или групп атомов) относительно других вдоль плоскости скольжения (рисунок 10, а).

Реальные кристаллы имеют места ослабленных связей меж­ду атомами. Это объясняется наличием несовершенств решет­ки. Несовершенства решеткиреальных металлических кристаллов обусловлены различными причинами. Это отсутствие в узлах решетки атомов, излишние атомы, внедренные между узловыми атомами и т.д. Особым видом несовершенства кристаллической решетки являются дислокации. Дислокациипредставляют собой линей­ные дефекты кристаллической решетки, имеющие значительную протяженность в одном направлении.

Под действием сдвигающих напряжений дислокация переме­щается вдоль плоскости скольжения. Для перемещения дисло­кации требуется меньшее усилие, чем для смещения атомов в решетке без дислокаций. Это объясняется тем, что дислока­ция перемещается на расстояние меньше межатомного. Для продолжения деформации необходимо перемещение других дис­локаций. Процесс пластической деформации сопровождается дополнительным возникновением дислокаций. В реальных недеформированных кристаллах количество дислокаций очень велико и достигает величины 10 8 на 1 см 2 площади.

Таким образом, усилие, необходимое для пластической деформации кристалла, определяется двумя факторами: нали­чием дислокаций и возможностью их перемещения.

Рисунок 10 – Схемы пластической деформации скольжением (а) и

двойникованием (б)

В некоторых металлах деформация происходит двойникованием. При этом часть кристалла переходит в положение, которое симметрично другой части кристалла (рисунок 10, б). Решетка деформированной части кристалла является зеркаль­ным отображением решетки недеформированной части. При двойниковании смещение составляет доли периода, причем все плоскости деформированной части кристалла сдвигаются относительно соседних плоскостей на одинаковую величину. Переход решетки в новое положение происходит почти мгновенно и часто сопровождается характерным потрескиванием. Двойникованием может быть получена незначительная степень деформации. Этот механизм пластической деформации сопутс­твует основному механизму – скольжению.

Пластическая деформация поликристаллов складывается из деформации зерен и их относительного смещения. Пластичес­кая деформация зерен представляет собой изменение их фор­мы и размеров, и их относительное смещение – перемещение и поворот относительно друг друга. В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно, которое до деформа­ции имело округлую форму, постепенно вытягивается в на­правлении растягивающих сил и получает вытянутую форму в направлении наиболее интенсивного течения металла. Опре­деленная ориентировка вытянутых в результате пластической деформации зерен называется полосчатостью микроструктуры (волокнистостью).

Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации оси зерен получают определенную преимущественную ориентировку вдоль деформации, т.е. некото­рое однотипное расположение зерен в металле. Эта преиму­щественная ориентировка называется текстурой деформации. Появление текстуры наблюдается при деформациях около 50 %(относительное изменение сечения к первоначальному) и достигает наибольшего совершенства с ростом деформации.

Текстура металлов, у которых зерна имеют одинаковую ориентировку, приводит к тому, что поликристаллический металл приобретает свойства, близкие к свойствам моно­кристалла. В этом случае поликристаллический металл ста­новится анизотропным, т.е. имеет неодинаковые свойства в различных направлениях.

Описанные выше процессы внутрикристаллитной деформации являются основными. В определенных условиях появляется смещение зерен относительно друг друга, т.е. будет наблю­даться межзереннаядеформация. Так как пограничные участ­ки зерен имеют значительную неоднородность по составу и искажение кристаллической решетки, пластический сдвиг на этих участках требует повышенной величины сдвигающего на­пряжения по сравнению с напряжением при сдвиге атомов в самом зерне. Таким образом, вблизи границ зерен располо­жены зоны затрудненнойдеформации. Наряду с этим на границе зерен могут быть микропустоты, скопления примесей в форме легкоплавких примесей, которые ослабляют связь между зернами. Т.е., металл вблизи границ может быть более прочным или менее прочным по сравнению с самим зерном.

Прочность границ зерен является необходимым условием прочности поликристалла. В случае слабой связи между зернами, прочность поликристаллического металла и его пластичность будут пониженными. Межкристаллитная деформа­ция является нежелательной, так как даже небольшое разви­тие ее может привести к разрушению металла.

Наклеп и рекристаллизация

Как было показано выше, изменение формы и размеров поликристаллического металла в результате пластической дефор­мации в той или иной мере связано с изменением формы от­дельно взятого зерна. Поэтому при пластической деформации металл претерпевает структурные изменения, что ведет к изменению механических и других свойств металла. В дефор­мируемом металле с увеличением степени деформации увели­чиваются его прочностные характеристики. Явление измене­ния структуры и увеличение механических свойств металла в процессе пластической деформации называется наклепом или упрочнением. Явление упрочнения в настоящее время объяс­няет теория дислокаций. Упрочнение – это увеличение сопротивляемости сдвигу, которое вызывается накоплением (повышением плотности) дислокаций при пластической деформации. Продвижение дислокаций по кристаллу затрудняется в связи со скоплением их у препятствий. Такими препятствия­ми могут быть другие дислокации, границы зерен и т.д. В результате плотность дислокаций значительно возрастает. Так, предельная плотность дислокаций в упрочненном металле составляет 10 11 –10 12 на 1 см 2 площади. Кроме того, упрочнение вызывается также торможением дислокаций в связи с измельчением зерен, ис­кажением решетки металла, возникновением напряжений. Осо­бенно эффективными «барьерами» для дислокаций являются границы зерен.

В результате пластической деформации при низкой тем­пературе металл не только упрочняется, но также изменяются многие его свойства. Более интенсивно изменение свойств происходит в области малых деформаций. При боль­ших деформациях свойства изменяются в меньшей степени. Приме­нительно к механическим свойствам металлов следует отме­тить, что с увеличением степени пластической деформации характеристики прочности возрастают, а характеристики пластичности убывают.

Появление наклепа при деформации позволяет в широких пределах регулировать конечные свойства металлоизделий. Холодной пластической обработкой (прокаткой, волочением и др.) можно в 2–3 раза повысить предел прочности и увеличить предел текучести.

С другой стороны, упрочнение заметно увеличивает со­противление металла пластической деформации, а это увели­чивает усилия, необходимые при деформировании. Одновременно с этим наклеп вызывает понижение пластических свойств металла, что приводит к опасности образования трещин, расслоений и других дефектов при дальнейшей де­формации.

В наклепанном металле в результате пластической дефор­мации происходит искажение кристаллической решетки. Атомы в такой решетке стремятся к перестройке, приводящей к уменьшению ее искажений, т.е. стремятся к более устойчи­вому состоянию. При низких температурах подвижность ато­мов мала. С повышением температуры она увеличивается, на­чинают развиваться процессы, которые приводят металл к равновесному состоянию.

Различают следующие стадии процесса устранения наклепа при нагреве: отдых (возврат), первичная рекристаллизация или рекристаллизация обработки, собирательная рекристал­лизация или рост зерен, вторичная рекристаллизация.

Под отдыхом (возвратом) понимают частичное снятие на­пряжений и восстановление упруго искаженной кристалличес­кой решетки путем перемещения атомов на небольшие рас­стояния, при нагреве металла на относительно невысокие температуры (ниже температуры рекристаллизации). При отдыхе заметных изме­нений в микроструктуре не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение. В результате отдыха твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает.

При нагреве до достаточно высоких температур подвиж­ность атомов заметно возрастает, и происходят процессы ре­кристаллизации.

Рекристаллизацией называется процесс образования и роста новых зерен при нагреве наклепанного металла до оп­ределенной температуры (температуры начала рекристаллиза­ции). Этот процесс протекает в две стадии. Различают рекристаллизацию первичную (обработки) и собирательную.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании зародышей и росте новых

зерен с неискаженной кристалли­ческой решеткой. Зародыши новых зерен возникают у границ, и особенно в местах пересечения границ зерен, пачек скольжения двойников. В местах, связанных с наибольшими искажениями решетки при наклепе, происходит перемещение атомов, восстановление решетки и возникновение зародышей новых равноосных зерен. Вначале процесс протекает медлен­но, происходит зарождение центров кристаллизации, затем образуются мелкие зерна, которые растут и входят в не­посредственное соприкосновение друг с другом. Стадия пер­вичной рекристаллизации длится до тех пор, пока новые не­искаженные зерна не заполнят весь объем металла.

Собирательная рекристаллизация является второй стадией процесса рекристаллизации и заключается в росте образовавшихся зерен. При этом одни зерна растут за счет других, за счет перехода атомов через границы раздела. Про­цессы собирательной рекристаллизации могут совершаться и до полного завершения первичной рекристаллизации. Резуль­татом этого процесса может быть резкая неоднородность структуры по величине зерна.

Скорость рекристаллизации и характер конечной структу­ры зависят от многих факторов: степени предварительной деформации, температуры нагрева, скорости нагрева, ско­рости деформации, наличия примесей в сплаве и др. Основ­ными из указанных факторов являются степень предваритель­ной деформации и температура нагрева.

С началом рекристаллизации происходит существенное из­менение свойств металла, которое противоположно изменению свойств металла при наклепе. При повышении температуры происходит разупрочнение металла, понижается прочность и твердость, а также электросопротивление и другие свойства, которые повышаются при наклепе. В то же время увеличиваются пластичность, а также вязкость, теплопроводность и другие свойства по сравнению с наклепанным состоянием.

При обработке металлов давлением процессы упрочнения (наклепа) и разупрочнения (рекристаллизационного отжига) протекают одновременно. Эти процессы обусловлены условия­ми деформации (температурой, скоростью, степенью деформа­ции), происходят во времени, с определенными скоростями, а также зависят от природы деформируемого металла.

При холодной деформации главенствует упрочнение, а процессы разупрочнения (возврата и рекристаллизации) пол­ностью отсутствуют. В результате плотность и пластичность уменьшаются, металл охрупчивается, при высоких степенях деформации образуется текстура.

В результате теплой деформации рекристаллизация и разупрочнение проходят не полностью, структура металла может быть полосчатой (волокнистой) без следов рекристаллизации, а при значительной деформации наблюдается текстура деформации. Плас­тические свойства такого металла выше, чем металла, деформированного при отсутствии возврата, а прочностные свойства несколько ниже.


Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Читайте также: