Деформация и разрушение металлов

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали. Напряжения и вызываемые ими деформации возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах, и связанных с изменением объема. Упругая деформация полностью исчезает после снятия напряжений. При упругом деформировании изменяется расстояние между атомами металла в кристаллической решетке (рис. 1.13). При снятии нагрузки атомы возвращаются на прежние позиции в решетке, деформация исчезает. С ростом нагрузки начинается пластическая деформация, которая остается после снятия нагрузки. Величина деформации растет с увеличением нагрузки и продолжительности действия. По мере накопления деформации металл теряет пластичность, способность к дальнейшему деформированию. Если нагрузка продолжает возрастать, то процесс может привести к разрушению металла.

Механизм пластической деформации металла зависит от особенностей структуры, скорости приложения нагрузки, температуры и осуществляется путем движения дислокаций под действием напряжения в определенных кристаллографических плоскостях.

Дислокационный механизм пластической деформации. К кристаллу приложено сдвигающее напряжение (t). Краевая дислокация начинает перемещаться в результате разрыва старых межатомных связей и установления новых (рис. 1.14). Затем разрывается новая межатомная связь. Дислокация выходит на край. За счет такого элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг в кристалле на величину одного межатомного расстояния. Если продолжается движение других дислокаций, которых в металле всегда достаточно много, то величина пластической деформации (величина сдвига) будет увеличиваться. Когда деформационные возможности металла исчерпаны, то наступает разрушение. В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию (иногда до 30%). При отсутствии пластической деформации или ее незначительном развитии происходит хрупкое разрушение. Чисто вязкое разрушение характерно для таких материалов, как глина; чисто хрупкое разрушение свойственно идеально упругим материалам, например, алмазу. Однако, большинству технических материалов одновременно присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, а разделение условно проводится по преобладанию того или иного вида разрушения.

Сопротивление деформации, а, следовательно, основные прочностные свойства металла, зависят от величины сил межатомной связи в кристаллической решетке и препятствий – барьеров, которые приходится преодолевать движущимся дислокациям. Рассмотрим основные механизмы торможения дислокаций, т.е. пути упрочнения материала.

Сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций при деформации. Эффективность механизма торможения дислокаций зависит от силы межатомных связей: чем они больше, тем выше сопротивление деформации. Большое сопротивление движению дислокаций оказывает кристаллическая решетка материалов с ковалентной и ионной межатомной связью. Например, алмаз, корунд. В материалах с металлическим типом связи сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций небольшое.

Упрочнение за счет увеличения количества дислокаций в структуре материала. В реальном металле имеется большое количество дислокаций, расположенных в разных плоскостях – “лес” дислокаций. Среди них могут быть малоподвижные и неподвижные дислокации, скопления дислокаций. При пластической деформации движущимся дислокациям приходится преодолевать расположенные на их пути дислокации “леса”. Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление деформации, прочностные характеристики. В сильно деформированном металле плотность дислокаций составляет 10¹¹–10¹² см^-2.

Упрочнение за счет торможения дислокаций дисперсными частицами. В некоторых сплавах в структуре могут находиться дисперсные (очень мелкие) частицы какой-либо фазы. Такими частицами могут быть карбиды (Fe₃C, Сr₇С₃, TiC, Fe₃W₃C и др.), интерметаллические соединения (Со₇W₆, СuАl₂ и др.), окислы (SiO₂, Аl₂O₃ и др.) и другие соединения или элементы. Дисперсные частицы являются барьерами для движущихся дислокаций. Есть два механизма преодоления дислокациями частиц: перерезание (прохождение через частицы) и прохождение между ними. Торможение дислокаций дисперсными частицами – эффективный механизм упрочнения.

Упрочнение за счет торможения дислокаций границами зерен, фрагментов и блоков. На границах зерен, фрагментов и блоков скапливаются дефекты решетки. Дислокации не могут переходить через границу в другое зерно и начинают тормозиться. Дополнительное напряжение, необходимое для пластической деформации с учетом преодоления дислокациями границ, обратно пропорционально диаметру зерна. Мелкозернистый металл обладает более высоким сопротивлением деформации, чем крупнозернистый. Подобным же образом влияет размер фрагментов и блоков.