Файл: Теория - ткм.doc

Участок СД соответствует появлению и развитию локального сужения (шейки). Фактическое напряжение по-прежнему нарастает, но регистрируемое σ = F/S₀уменьшается, т Д соответствует разрыву образца, в этой точке наблюдается максимальное удлинение.

Площадь под кривой растяжения приблизительно А разрушения. Чем больше площадь, тем больше работа и тем более вязким является материал.

Величину (относительное удлинение)

(относительное сужение)

Они характеризуют пластичность. Чем они больше, тем пластичнее. Если δ ≥ 15% ψ ≥ 45%, тем материал надежней

4.3. Механизм упругой и пластической деформации

При упругой деформации атомы материала смещаются на наибольшее расстояние относительно друг друга. При этом возникают межатомные силы притяжения или отталкивания, в зависимости от того сближаются или удаляются атомы. После снятия внешней нагрузки атомы материалов под действием этих сил возвращаются в исходное положение равновесия. При этом размеры и форма образца полностью восстанавливаются. Так объясняется обратимость упругой деформации.

При пластичной деформации происходит сдвиг одной части материала относительно другой.

Сдвиг происходит по атомным плоскостям, называемыми плоскостями скольжения. После снятия внешней нагрузки сдвинутые атомные слои в исходное положение не возвращаются. Поэтому пластическая деформация является необратимой. Обычно в роли плоскостей скольжения выступает наиболее плотноупакованные атомные плоскости, слабо связанные друг с другом межатомными силами. В первую очередь сдвиг происходит по атомным плоскостям, расположенными под углом 450 к нагрузке, потому что в них создается максимальное сдвиговое напряжение.

, при α = 450 σ_τ – max

В следующий момент в этот сдвиговый процесс вовлекают плоскости скольжения, расположенные под углом больше и меньше 450.

Теоретические расчеты показывают, что для сдвига по плоскостям скольжения требуется напряжение в 100 раз превосходящее те, при которых в реальности происходит пластическая деформация. Причина расхождения теории с практикой заключается в том, что атомные слои смещаются не целиком сразу, а поэтапно, т.е. атомными рядами. Для реализации такого механизма смещения требуется отсутствия хотя бы одного атомного ряда в плоскости. В реальных материалах (металл) всегда и в большем количестве наблюдается такого рода дефект, это – дислокации. Благодаря им сдвиг атомных слоев осуществляется под воздействием гораздо меньших напряжений.

ПС

Согласно механизму (см. рис.) смещение атомной плоскости можно рассмотреть движение дислокации в противоположном направлении. При выходе дислокации на поверхность кристалла (границ зерен) образуется «ступенька» и таким образом завершается сдвиг одной части кристалла относительно другой. Расчеты сдвиговых напряжений с учетом дислокации дают значения, точно совпадающие с действительным. Механизм пластической деформации является сдвигово-дислокационным. Чем легче двигаются дислокации, тем меньше напряжение, при которых осуществляется пластическая деформация. У бездефектных кристаллов «усов» предел текучести приближается к теоретически рассчитанному без учета дислокации. С увеличением плотности дислокации в материале сдвиговые напряжения сначала уменьшаются, а затем, достигнув минимума, начинают возрастать.

σ, МПа

Теор

металлы ХПД

усы обыч. метал. ρ, см -2

Сначала увеличение плотности деформации способствует процессу деформации и поэтому напряжения, при которых происходит деформация, уменьшается. В обычных металлах ρ = 106 – 108, см ^-2 при этом наблюдаются относительно низкие сдвиговые напряжения. В процессе холодной пластической деформации (ХПД) происходит нарождение все новых и новых дислокаций. Плотность дислокации при этом возрастает и достигает 10 - 12 см ^-2. При этом дислокации очень сильно взаимодействуют друг с другом (зацепляются, переплет) и мешают друг другу двигаться. Ограничение подвижности дислокации приводит к тому, что материал теряет пластичность и становится более прочным, т.е. нарастает напряжение, при которых осуществляется пластическая деформация.

4.4. Наклеп или упрочнение металлов.

Наклеп– изменение механических свойств материала под воздействием холодной пластичной деформации.

Пластическая деформация наблюдается при δ > δ_T. После снятия внешней нагрузки эта деформация не исчезает. При последующем акте нагрузки материала он начнет пластически деформироваться уже не напряжении, а при напряжении δ > δ_T до которого был нагружен материал в предыдущем акте. При последующей нагрузки или разгрузки история повторяется. Получается, что δ_T под влиянием пластическая деформация повышается. Точно также повышается δ_В (предел прочности), но менее стремительно, чем δ_T. В результате разницы между δ_В и δ_T сокращается. Это ведет к уменьшению пластичности металла (т.е. уменьшается δ, ψ). Итак, увеличение δ_T и δ_В при снижении пластичности металла под воздействием пластической деформации и есть наклеп или упрочнение металлов. При наклепе изменяется микроструктура материала, а именно: зерна металла вытягиваются в направлении деформации, т.е. говорят, что в материале появляется структура, т.е. преимущественная ориентация зерен в одном направлении. При большом увеличении на границах вытянутых зерен видны « ступеньки», которые являются результатом выхода на поверхность зерен дислокации.

Причиной наклепа является резкое увеличения в металле плотности дислокации. В процессе холодной пластической деформации в металле происходит нарождение все новых и новых дислокаций. Плотность дислокации может достигать величины 10-12 см^-2. При такой высокой плотности дислокации начинает интенсивно взаимодействовать и мешать друг другу двигаться (см. выше).

4.5. Возврат или рекристаллизация деформированных металлов.

Под воздействием пластической деформации нарастает плотность дислокации, зерна вытягиваются, кристаллическая решетка материала искажается, появляются избыточные внутренние напряжения. Материал, имеющий такую структуру, имеет повышенную свободную энергию, поэтому является неустойчивым, неравномерным. При длительной выдержке такой материал стремится более в равновесное состояние. Процесс приближения к равновесному состоянию ускоряется, если материал нагрет.

Переход деформационного металла при нагреве в более устойчивое состояние называют возвратом. Температура возврата менее 0,3 Ткл (Т возвр. < 0,3 Т пл.).

При возврате уменьшается плотность дефекта. Частично исчезают избыточные внутренние напряжения, и материал переходит в более равновесное состояние, хотя при этом видимые изменения в микроструктуре не наблюдаются (зерна все еще вытянуты). Твердость и прочность материала при возврате несколько снижается, а пластичность увеличивается. Таким образом, возврат частично снимает наклеп.

При нагреве деформационного металла до более высоких температур наблюдается процесс рекристаллизации (перекристаллизация). На месте втянутых зерен образуются новые округлые зерна. На первом этапе идет первичная рекристаллизация, когда на границах вытянутых зерен появляются зародыши и растут за счет поглощения вытянутых зерен. При более высоких температурах происходит собирательная рекристаллизация, при этом наблюдается укрупнение новых зерен за счет их объединения. Размер зерен после рекристаллизации зависит от степени деформации металла, температуры его нагрева и других факторов. Чем меньше степень деформации и выше температура нагрева, тем зерна крупнее и соответственно наоборот. Металл с мелкими зернами обладает лучшими механическими свойствами.

Т рекристаллизации связана с Т плавки металла (Т рекр. = а * Т пл., где а –коэффициент пропорциональности). Для сплавов 0,5 < a < 0,6, для технически чистых металлов 0,3 < a < 0,4. Чем чище металл, тем меньше а, вплоть до 0,1. У олова и свинца Т рекристаллизации сравнима и с комнатной температурой. В процессе рекристаллизации полностью исчезают избыточные внутренние напряжения, плотность дислокации резко исчезает, и достигает своего исходного равновесного положения. Твердость, прочность уменьшаются, пластичность увеличивается и достигает своего исходного значения. Таким образом, рекристаллизация полностью снимает наклеп деформационного металла.

В зависимости от того, при какой температуре осуществляется деформация металла ее подразделяют на холодную и горячую. Холодная пластическая деформация осуществляется при температурах ниже Т рекристаллизации. При этом развивается наклеп, и деформация оказывается ограниченной. Горячая пластическая деформация соответственно осуществляется при температурах выше Т рекристаллизации. При этом процесс рекристаллизации опережает процесс развития наклепа, в результате степень деформации может быть гораздо больше, чем при холодной пластической деформации.