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.

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 10⁶…10⁸ 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).

 

Рис. 3.3 Температурный интервал ГОД углеродистых сталей

С повышением температуры нагрева сопротивление деформированию металла уменьшается, он становиться более ковким. Оптимальным температурным интервалом нагрева является такая температура, при которой не происходит пережога, перегрева и наклёпа металла.

Пережог появляется при нагреве стали близко к температуре плавления. При этом вследствие окисления границ зёрен появляется между ними твёрдая, но хрупкая плёнка продуктов коррозии. Пережог является неисправимым браком.

Перегрев происходит при температуре выше начала горячей обработки стали. Следствием перегрева является крупнозернистая структура поковок с низкими механическими свойствами. Перегрев можно исправить термической обработкой (отжигом).

При температурах ниже нижнего предела горячей обработки давлением (ГОД) происходит наклёп металла, в результате которого в изделиях могут образовываться трещины. Оптимальный температурный интервал ГОД углеродистых сталей определяется по диаграмме состояния Fe-C (рис. 3.3). Для легированных сталей этот температурный интервал сужен и предельные температуры несколько ниже. Для меди температура начала и конца ГОД составляет 900-700⁰С, латуней – 760-600⁰С, бронз – 900-750⁰С, алюминиевых сплавов – 470-420⁰С.

Термический режим нагрева стали перед обработкой давлением должен обеспечивать требуемую температуру, равномерность прогрева, сохранность целостности заготовки, минимальное обезуглероживание и окисление заготовки.

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.