Файл: 2. Упругая и пластическая деформация материалов 1 Общие понятия о деформации.pdf

1
2. Упругая и пластическая деформация материалов
2.1 Общие понятия о деформации
Деформация – это изменение размеров и формы тела под воздействием приложенных сил. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.
Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в структуре и свойствах металла, происходит только обратимое изменение межатомных расстояний. После снятия нагрузки атомы вернутся на свои места.
Под действием внешних приложенных сил в материале возникают механические напряжения.
Чем меньшую деформацию вызывает напряжение, тем жестче материал. Жесткость материала характеризуется модулем упругости. Различают два вида модуля упругости: модуль нормальной упругости (модуль Юнга) и модуль касательной упругости
(модуль Гука). В первом случае силы стремятся оторвать атомы друг от друга, во втором – сдвинуть. Модуль Юнга (Е) в 2,5…3 раза больше модуля
Гука (G). Например, для чистого железа: E
Fe
=2·10 5
МПа, G
Fe
= 0,8·10 5
МПа.
Рассмотрим, как происходит процесс деформации сдвига на примерах идеального кристалла, в котором отсутствуют дефекты, и реального кристалла, в котором присутствуют дефекты в виде дислокаций.
В идеальном кристалле (рисунок 2.1) под действием напряжения

в скольжении участвуют все атомы, находящиеся в плоскости скольжения А-
А. Таким образом, все атомы смещаются одновременно из положения а в положение б, а затем в положение в. Для такого синхронного сдвига атомов требуется критическое касательное напряжение, равное теоретической прочности идеального кристалла. Согласно Я.И. Френкелю, значение этого напряжения рассчитывается по формуле:
2
G
τ
π


2 а б в
Рисунок 2.1 – Схема пластического сдвига в идеальном кристалле
Согласно этой формуле, для железа это значение напряжения должно составлять
13000
τ
МПа

, в то время как в действительности усилие сдвига для железа составляет примерно 150 МПа, что примерно в 100 раз меньше.
Из-за такого различия уравнение Френкеля долгое время считалось ошибочным. Однако, позже, после появления и развития теории дислокаций, было установлено, что такое большое различие между расчётным и фактическим значениями объяснялось наличием в реальном кристалле дефектов кристаллического строения, таких как дислокации.
Рассмотрим процесс пластического сдвига в реальном кристалле, в котором есть дислокации. На рисунке 2.2 представлена схема, демонстрирующая дислокационный механизм пластического сдвига в плоскости скольжения А-А. Дислокация, обозначенная знаком

, перемещается вправо под действием касательного напряжения

. Из рисунка видно, что после снятия нагрузки часть пластической деформации остается – дислокация выходит на границу зерна, и на ней образуется ступенька, т.е. кристалл искажается.
Для перемещения дислокации требуется меньшее напряжение

, чем для смещения всех атомов, находящихся в плоскости сдвига идеального кристалла. Это объясняется тем, что в реальном кристалле происходит незначительное смещение небольшой группы атомов, находящихся в поле дислокации. Эти атомы уже ранее были выведены из своего регулярного

3 положения с минимальной свободной энергией. Поэтому необходима сравнительно небольшая энергия, чтобы перевести их в новое устойчивое положение. При этом избыточная полуплоскость в верхней части кристалла
(над дислокацией

) соединяется в одну атомную плоскость с расположенной ниже частью соседней атомной плоскости. Оставшаяся ее верхняя часть становится новой полуплоскостью, которая заканчивается краевой дислокацией. Так проходит эстафетное перемещение дислокации от одной атомной плоскости к другой до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла.
Рисунок 2.2 – Схема дислокационного механизма пластической деформации металла (эстафетное движение к границе зерна под действием напряжения τ):
S-S – плоскость, по которой происходит сдвиг
Таким образом, наличие дислокаций в металле изменяет механизм пластической деформации, и приводит к снижению реального значения прочности металла по сравнению с теоретическим. Но прочность падает с увеличением числа дислокаций только в начале. Достигнув определенного значения плотности дислокаций, прочность начинает возрастать.
Зависимость прочности от плотности дислокаций показана на рисунке 2.3.
Эту зависимость также называют кривой Бочвара-Одинга.

4
Рисунок 2.3 – Изменение прочности на сдвиг τ металла в зависимости от плотности дислокаций ρ (кривая Бочвара-Одинга)
На начальном участке кривой (участок АВ) при плотности дислокаций
ρ < 10 6
…10 8
см
-2
увеличение плотности дислокаций будет приводить к снижению прочности металла, т.к. при этом будет легче осуществляться дислокационный механизм пластической деформации (см. рисунок 2.2).
Однако при ρ > 10 8
см
-2
(участок ВС) дислокаций становится слишком много, и их передвижение по кристаллу (т.е. пластическая деформация кристалла) затрудняется. Это затруднение деформации означает, что кристалл лучше сопротивляется деформации, т.е. повышается его прочность. При ρ > 10 8
см
-2
чем больше будет плотность дислокаций, тем в большей степени дислокации будут препятствовать взаимному перемещению, и тем больше будет увеличение прочности.
Явление повышения прочности и твердости в процессе пластической деформации металла называется наклёпом. Явление наклёпа используется в технике для придания металлам высоких прочностных характеристик за счёт увеличения в нём плотности дислокаций, которое можно получить путём

5 холодной пластической деформации. Иногда такую операцию называют
нагартовокой.
Стоит также отметить, что при увеличении плотности дислокаций происходит снижение характеристик пластичности металла, т.е. металл может выдерживать меньшее значение пластической деформации до разрушения. Поэтому при изготовлении тех или иных изделий из металлов, необходимо важно поддерживать оптимальный баланс между прочностью и пластичностью металла, который зависит, прежде всего, от условий эксплуатации изделия.
2.2 Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла
(рекристаллизационные процессы)
Холодная пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние (большое число дефектов и искажение кристаллической решетки). Неустойчивое состояние (состояние с большой свободной энергией) означает, что как только представятся условия, в металле будут происходить самопроизвольные процессы, возвращающие его в более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. К таким самопроизвольным процессам можно отнести снятие искажений кристаллической решетки и образование новых зерен (с меньшим числом дефектов).
Одним из процессов, который может привести к возврату металла в устойчивое состояние, является нагрев. Процессы, происходящие при нагреве металла, подразделяют на две основные стадии: возврат (отдых) и рекристаллизацию.
Возврат (отдых) происходит при нагреве деформированного металла до температуры 0,2…0,3Т
пл
. При возврате происходит снятие искажений кристаллической решетки, в результате чего твёрдость и прочность

6 несколько понижаются (на 10…30 % по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.
При нагреве деформированного металла до более высоких температур в нём происходит процесс, который называют
рекристаллизацией. Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равновесные кристаллы. Процесс рекристаллизации начинается с заметной скоростью после нагрева выше определённой температуры Т
рек
, которая связана с температурой плавления простым соотношением:
пл
рек
Т
Т


, где

- коэффициент, зависящий от чистоты металла.
Чем выше чистота металла, тем ниже будет температура его рекристаллизации. У технически чистых металлов

= 0,3…0,4. Для сплавов коэффициент

выше и может достигать 0,8.
Процесс рекристаллизации, в свою очередь, можно разделить на две стадии:

первичная
рекристаллизация, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие беспорядочно ориентированные зёрна;

вторичная рекристаллизация (собирательная рекристаллизация), заключающаяся в росте образовавшихся зёрен и протекающая при более высокой температуре.
При первичной рекристаллизации очень мелкие зёрна возникают на границе раздела крупных деформированных зёрен, при этом вновь образовавшиеся зёрна оказываются свободными отдефектов, а строение и

7 свойстваметалла становятся прежними, т.е. которые он имел до формирования.
В результате первичной рекристаллизации происходит резкое изменение механических свойств металла: характеристики прочности снижаются, а характеристики пластичности – увеличиваются. При этом показатели прочности и пластичности практически достигают уровни для ненаклепанного металла.
На рисунке 2.4 показана схема изменения прочности и пластичности металла при возврате и рекристаллизации. Из хода кривых на рисунке 2.4 следует, что с началом рекристаллизации происходит существенное изменение свойств металла, противоположное изменению свойств при наклепе: понижаются характеристики прочности, электросопротивление и другие свойства, повышающиеся при наклепе. Увеличивается пластичность, а также вязкость, теплопроводность и другие свойства по сравнению с наклепанным состоянием.
На схеме так же условно показан характер изменения структуры металла в зависимости от температуры нагрева.
Рисунок 2.4 – Схема изменения механических свойств и структуры наклепанного металла при возврате и рекристаллизации

8
Если проводить нагрев металла до ещё более высоких температур, то после окончания первичной рекристаллизации наступает вторая стадия – собирательная рекристаллизация, т.е. рост образовавшихся зёрен. На этой стадии, как видно из рисунка 2.4, начинают снижаться и характеристики прочности, и характеристики пластичности металла.
В целом, из рисунка видно, что на показатели прочности и пластичности большое влияние оказывает размер новых зерен в процессе рекристаллизации. С увеличением диаметра зерна понижаются прочность и пластичность. Размер зерна металла зависит от таких факторов как температура, время выдержки при данной температуре и степени предварительного наклепа