Влияние неоднородности свойств металла

Неоднородность свойств может быть зональной (макроско­пической), когда свойства одной части тела отличаются от другой части, например, когда слиток (заготовка) нагрет неравномерно по сечению или деформируемая заготовка составлена из разных металлов (биметалл).

Неоднородность свойств может быть микроскопической, обус­ловленной неоднородностью свойств зерен металла.

Влияние зональной неоднородности свойств на неравномерность деформации. Допустим, что слиток (заготовка) неравномерно нагрет так, что наружные слои имеют более.высо­кую температуру. Нагретые слои как более мягкие деформируют­ся в большей степени, чем внутренние холодные. Это приводит к появлению дополнительных напряжений сжатия в наружных слоях и растяжения во внутренних.

При большом перепаде температур по сечению слитка, боль­шой степени деформации и малой пластичности металла дополнительные напряжения растяжения могут вызвать разрывы внутренних слоев. Если слиток был нагрет по сечению равномер­но, а затем охлажден с поверхности (например, инструментом), то появятся дополнительные напряжения сжатия во внутренних (горячих) слоях и растяжения в наружных с возможным появле­нием поперечных разрывов.

При деформации тела, составленного из металлов с разными механическими свойствами, в мягких слоях появятся дополни­тельные напряжения сжатия, а в твердых — растяжения. Если твердые слои имеют пониженную пластичность, то в них про­изойдут разрывы.

Зональная неоднородность свойств может быть несимметрич­ной по высоте, например, когда слиток нагрет с одной стороны до более высокой температуры, чем с другой, или тело составлено из двух металлов (биметалл). Это приведет к несимметричной де­формации по высоте. Несимметричная деформация вызовет боль­шее обжатие и вытяжку мягкого слоя, появление дополнитель­ных напряжений и изгиб тела вогнутостью на твердый слой. Такой изгиб объясняет известное явление раскрытия («крокоди­ла пасть») неравномерно нагретых плоских слитков цветных ме­таллов при прокатке (рис. 91). Это происходит при охлаждении поверхности слитков, имеющих пониженную пластичность сред­них слоев из-за скопления включений в процессе кристаллизации.

Во всех рассмотренных случаях неравномерность деформации проявлялась в пределах больших участков (зон) деформируемо­го тела; дополнительные напряжения уравновешивались в преде­лах всего тела, такие дополнительные напряжения называют зональными или дополнительными напряжениями первого рода.

Неравномерность деформации может быть вызвана неодно­родностью свойств кристаллитов и различием их ориентировки (микроскопическая неоднородность свойств) '.

При осадке тела, состоящего из зерен, оказывающих различ­ное сопротивление деформации, более мягкие зерна стремятся уменьшить высоту, чему противодействуют более твердые зерна. В результате в мягких зернах в направлении осадки появятся дополнительные напряжения растяжения, а в твердых — сжатия. В плоскости, перпендикулярной направлению осадки, мягкие зерна стремятся получить большую вытяжку, чем твердые. В пос­ледних появятся дополнительные напряжения растяжения, а в мягких — сжатия.

Большее или меньшее сопротивление деформации зерен мо­жет быть обусловлено разным их химическим составом (многофазные сплавы) и различной ориентировкой в чистых метал­лах.

Рис. 91. Расслоение алюминиевого слитка при горячей прокатке

Дополнительные напряжения при неравномерности деформа­ции, обусловленной микроскопической неоднородностью свойств (разной податливостью зерен), уравновешиваются в пределах группы зерен; эти напряжения называют дополнительными на­пряжениями второго рода.

Неравномерность распределения напряжений может про­явиться в пределах одного зерна в результате искажений решет­ки вблизи плоскостей скольжения. Дополнительные напряжения в этом случае уравновешиваются в пределах одного зерна; их на­зывают дополнительными напряжениями третьего рода.

Кристаллическая природа металлов и анизотропия механи­ческих свойств кристаллитов приводят к неравномерности дефор­мации, если даже исключено влияние всех остальных причин. Так, деформацию при растяжении цилиндрического образца из чистого металла нельзя рассматривать как равномерную, несмот­ря на то что отсутствует влияние инструмента, исключены нерав­номерность температуры и химическая неоднородность.