Пластична деформація

Тема 4.ПЛАСТІЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦІЯ.

Наклеп і рекристалізації

Основні питання теми:

- пружна і пластична деформація;

- наклеп і рекристалізація;

- поняття про холодної та гарячої деформації.

Пружна і пластична деформація. Шляхи підвищення міцності

Напруги будь-якого виду викликають деформацію тіла, тобто зміна його форми і розмірів. Зі збільшенням напруги деформація збільшується. Коли здатність тіла деформуватися вичерпується, то відбувається його руйнування. Здатність матеріалу чинити опір деформації і руйнування називається міцністю.

Деформація може бути пружною і пластичної (рис. 1). Пружна деформація існує тільки під час прикладання навантаження і повністю зникає після її зняття. Механізм пружної деформації полягає в зміні відстані між атомами в напрямку діючої сили. Пластичною деформацією називається зміна форми і розмірів тіла, що зберігається після зняття навантаження. Основним механізмом пластичної деформації є зрушення атомів.

Якщо зсув відбувається в ідеальній кристалічній решітці, то для його здійснення потрібно розірвати зв'язки між усіма атомами в площині зсуву. У цьому випадку напруга зсуву (теоретичну міцність) можна розрахувати за формулою: S = G / 2 p »0,16G, де G - модуль зсуву.

Дійсно, експериментально певні значення міцності металевих «вусів» (монокристалічні нитки, практично не містять дефектів кристалічної будови) близькі до розрахункових. Однак міцність реальних металів в сотні і тисячі разів менше. Така відмінність теоретичної і експериментально визначається міцності металів пояснюється недосконалістю їх кристалічної будови. При наявності безлічі дислокацій зсув однієї частини кристала щодо іншої не супроводжується розривом міжатомних зв'язків, а відбувається шляхом руху (ковзання) дислокацій. Гіпотеза про участь дислокацій в пластичної деформації кристалів була висунута в середині 30-х років і лише через 15-20 років (після створення трансмісійного електронного мікроскопа) підтверджена експериментально. Механізм пластичної деформації, заснований на ковзанні дислокацій, може бути зіставлений з переміщенням по підлозі килима, на якому спеціально зроблена складка (рис.2).

Переміщення складки, що вимагає порівняно невеликих зусиль, призводить до переміщення всього килима в тому ж напрямку. Функцію складки в металевих кристалах виконують дислокації. Переміщення дислокації на одне міжатомна відстань відбувається без розриву атомних зв'язків і вимагає лише невеликого зміщення атомів (на відстань менше межатомного) поблизу ядра дислокації.

Таким чином, пластичність металів (можливість зсуву) обумовлена ​​наявністю в них дислокацій і залежить від рухливості дислокацій. У пластичних металах дислокації легко рухливі. Утруднення руху дислокацій будь-якими методами призводить до зміцнення. Рух дислокацій ускладнюють кордону зерен і субзерен, пружні спотворення кристалічної решітки (наприклад при розчиненні сторонніх атомів), дисперсні включення (частки другої фази), а також інші дислокації. Знаючи механізм пластичної деформації і фактори, що впливають на рухливість дислокацій, можна передбачити поведінку металів при різних зовнішніх впливах і знаходити підходи управління властивостями. Так, більшість застосовуваних на практиці способів зміцнення металів і їх сплавів заснована на збільшенні щільності дислокацій. Чим більше механізмів гальмування дислокацій реалізовано в одному матеріалі, тим вищою буде його міцність. В даний час рекордний рівень міцності (Sв = 5000 МПа) отримано на патентованою дроті зі сталі У9А.

Наклеп і рекристалізація

Наклепом називається зміцнення металів, що відбувається в результаті пластичної деформації при процесах холодної обробки тиском (холодна прокатка, штампування, протяжка, волочіння). Оскільки пластична деформація здійснюється шляхом ковзання дислокацій, то очевидно, що пластичність повинна залежати від кількості дислокацій (рис. 3).

Найбільша пластичність (і найменша міцність) досягається при рівноважної щільності дислокацій r = 10 6 -10 7 см -2. Зміна кількості недосконалостей кристалічної будови в ту чи іншу сторону призводить до утруднення пластичної деформації і збільшення міцності.

У процесі холодної пластичної деформації відбувається значне збільшення щільності дислокацій (до 10 10 -10 12 см -2) і, як наслідок, зміцнення (наклеп). В процесі деформації зерна металу витягуються уздовж прикладання навантаження (утворюється так звана текстура деформації). Це явище широко застосовують на практиці для підвищення міцності металів. У багатьох випадках для збільшення твердості, межі міцності, витривалості досить поверхневого наклепу (обкатка роликами, обробка сталевим дробом). Однак під час холодної обробки тиском (прокатка, волочіння, штампування) слід враховувати і негативний вплив наклепу, так як зміцнення металу в процесі деформування ускладнює його подальшу обробку.

Для зняття наклепу і повернення металу здатності деформуватися застосовують відпал рекристалізації. який полягає в нагріванні до температури вище температури рекристалізації, витримці при цій температурі і наступному охолодженні. При нагріванні металу атоми набувають підвищену рухливість, зменшується щільність дефектів кристалічної будови, знімається внутрішня напруга, утворюються нові рівноосні зерна. Це призводить до зменшення твердості і міцності і до збільшення пластичності (рис. 4).

Зміни в структурі і властивостях металу залежать від температури нагріву. Можна виділити три основні етапи.

1. Повернення. Частково знімаються спотворення решітки, що приводить до зменшення залишкових напружень. Волокниста структура зберігається. Механічні властивості змінюються мало.

2. Рекристалізація. Утворюється новий комплекс дрібних рівноосних зерен. Величина рекрісталлізованного зерна залежить від ступеня попередньої деформації. Ступінь деформації, при якій виходить найбільше зерно, називається критичною (для більшості металів критична деформація становить 2-8%). Крупнозернистий метал має, як правило, гірші механічні властивості в порівнянні з дрібнозернистим. Якщо по перетину деталі деформація різна, то після рекристалізації буде спостерігатися разнозерністимі, яка негативно позначається на механічні властивості.

3. Зростання зерна (збірна рекристалізація). Значне збільшення температури рекристаллизационного відпалу щодо температурного інтервалу рекристалізації небажано, так як це призводить до зростання зерна (перегріву).

Температура рекристалізації металу або сплаву пов'язана з його температурою плавлення: Трекра = aТпл. де a- коефіцієнт, що залежить від чистоти металу і структури. Для металів технічної чістотиa = 0,4; для сплавів a = 0,5-0,85 залежно від структури. У сплавах рекристалізація, так само як і плавлення, відбувається не при постійній температурі, а в деякому інтервалі температур.

Поняття про холодної та гарячої деформації

Холодної деформацією називають обробку тиском при температурах нижче температури початку рекристалізації. При холодної деформації рекристалізація не відбувається. Метал зміцнюється, набуває волокнисту будову. Зерна витягуються в напрямку діючої сили (утворюється текстура деформації).

Гарячої деформацією називають обробку тиском при температурах вище температури початку рекристалізації. У цьому випадку одночасно з деформацією відбувається рекристалізація металу: деформовані зерна практично миттєво замінюються новими равноосной. Висока пластичність і низька твердість і міцність зберігаються протягом всього процесу деформації. Наклепу не відбувається.

Наприклад, деформування свинцю при кімнатній температурі є гарячою деформацією: Трекра = 0,4 (327 + 273) = 240 К, тоді tрекр. = (240 - 273) =

= -33 ° С. Для заліза деформування при t = 300-400 ° Cявляется холодної обробкою тиском, так як температура початку рекристалізації заліза дорівнює 450 ° С.

Чим більше перевищення температури обробки над температурою рекристалізації, тим легше відбувається гаряча пластична деформація металу або сплаву. Найкращою оброблюваністю тиском мають сплави з однорідною структурою. Наприклад, доевтектоїдних стали піддають гарячої обробці тиском тільки в аустенітному стані (g-Fe). При більш низьких температурах гетерогенна структура не забезпечує однорідність деформації (аустеніт і ферит розрізняються за властивостями), що може призвести до великим залишковим напруженням і розтріскування.