Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Механизм пластической деформации






Чтобы ответить на вопрос, почему разные сплавы, особенно после различных видов термической обработки, имеют разную прочность, необходимо разобраться, в чем заключается природа прочности металлов. Одной из наиболее важных особенностей, отличающей металл от других материалов (пластмассы, дерева, бетона), является его пластичность или ковкость, т. е. способность под действием каких-либо сил изменять свою форму без разрушения и сохранять затем приданную форму. На этом свойстве основана обработка металлов давлением (прокатка, ко штамповка). Идеальный пример пластичного материала - глина. Однако в отличие от нее металл обладает не только пластичностью, но и высокой прочностью, т.е. способностью сопротивляться необратимому изменению формы или разрушению. Под деформацией понимают изменение формы и размеров изделия или его частей в результате деформирования - изменения относительного расположения частиц в материале (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг). Существует упругая деформация, при которой металл под действием нагрузки изменяет свою форму, но после прекращения ее действия полностью восстанавливает первоначальную форму. Это можно наблюдать на примере работы пружины. Деформация, остающаяся и после прекращения действия сил, называется пластической или остаточной. Последняя стадия деформации - разрушение изделия.

Во всех случаях при эксплуатации изделий пластическая деформация недопустима. Например, при работе шестерни по каким-то причинам изогнулся (пластически деформировался) один зуб. Очевидно, при дальнейшем вращении шестерни этот зуб не сможет войти в зацепление, что нарушит нормальную работу или может стать причиной аварии. Следовательно, металл тем прочнее, чем больше его сопротивление пластической деформации. Для того чтобы знать, каким путем можно повысить сопротивление такой деформации и таким образом увеличить прочность металла, необходимо выяснить, как же осуществляется пластическая деформация.

Металл имеет кристаллическое строение, т.е. состоит из большого количества плотно прилегающих друг к другу отдельных кристаллов (зерен). В каждом кристалле атомы располагаются в определенном порядке, образуя атомную решетку. Атомы, расположенные в одной плоскости, образуют так называемую кристаллографическую плоскость. Пластическая деформация происходит путем сдвига внутри кристалла по определенным кристаллографическим плоскостям, которые называются плоскостям скольжения.Пластическая деформация металла происходит в результате пластической деформации отдельных кристаллов. В кристалле деформация осуществляется путем сдвига (скольжения) кристаллографическим плоскостям. Такой сдвиг, однако, происходит не сразу по всей плоскости, как, например, это можно наблюдать при сдвиге стопы монет. Вначале (рис. 3) плоскость 2 сдвигается в промежуточное положение, а плоскость 1 становится на ее место. Далее в промежуточное положение сдвигается плоскость 3, а плоскость 2 становится на ее место и т. д. Плоскость, находящуюся в промежуточном (нерегулярном) положении, называют дислокацией. Таким образом, пластическая деформация в кристалле осуществляется путем движения дислокации. Когда дислокация, двигаясь, выходит на край кристалла, в нем происходит сдвиг на одно межатомное расстояние. Одновременно друг за другом могут двигаться не одна, а сотни и тысячи дислокаций, и благодаря этому происходит сдвиг на конечные расстояния. Отсюда можно сделать важный вывод: все то, что затрудняет движение дислокаций, препятствуя их перемещению, способствует повышению сопротивления пластической деформации, т. е. увеличивает прочность металла.

Сдвиг в кристалле начинается при достижении внешнего напряжения величины предела текучести. Так как зерна в образце ориентированы относительно внешнего напряжения различно, то пластическая деформации развивается в металле неоднородно. В первую очередь деформируются те зерна, которые ориентированы таким образом, чтобы напряжение в их плоскости скольжения достигло величины напряжения сдвига. Форма зерна в результате многочисленных сдвигов изменяется. При этом, так как взаимно связаны, происходит поворот соседних зерен, их ориентировка относительно внешнего напряжения изменяется, и пластическая деформация начинается в тех зернах, в которых она не наблюдалась. Постепенно все зерна металла деформируются, их форма изменяется, зерна вытягиваются в направлении приложенного напряжения. В кристаллической структуре металла возникают дефекты. В результате пластической деформации изменяются механические свойства металла: прочность и твердость увеличиваются, пластичность и ударная вязкость металла уменьшаются. Это явление называется наклеп. При поверхностном наклепе изменяется остаточное напряженное состояние в материале и повышается его усталостная прочность. Наклеп возникает при обработке металлов давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка), резанием, при обкатке роликами, при специальной обработке дробью. Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Увеличение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

Упрочнение металла при пластической деформации и уменьшение его пластичности ограничивает возможность деформации. Так, при волочении проволоки с уменьшением сечения при следующих проходах через фильеру возникают обрывы.

На рис. 4 показана зависимость прочности и пластичности латуни Л68 от степени пластической деформации. В качестве характеристики пластичности выбрано относительное удлинение 5%, т. е. отношение прироста длины разрушенного образца к его первоначальной длине в процентах. Степень пластической деформации оценивается по отношению;

 

с.п.д. = (dо-dд2)/dо2,

где с.п.д. - степень пластической деформации, ' d0 - диаметр проволоки до волочения; dд - диаметр проволоки после волочения.

Упрочнение, вызванное предварительной пластической деформацией, можно снять нагревом деформированного металла. В процессе пластической деформации металл запасает энергию, и поэтому состояние его является неустойчивым. Однако при низких температурах диффузия в металле не происходит, т. к. подвижность атомов в твердом теле мала. При нагреве металла подвижность атомов увеличивается, и, начиная с определенной температуры, возникает самопроизвольное зарождение новых, недеформированных зерен и их рост. Этот процесс называется рекристаллизацией обработки или первичной рекристаллизацией. Температуру, при которой начинается этот процесс, называют температурой начала рекристаллизации ТИР. С повышением температуры выше температуры начала рекристаллизации образование и рост новых зерен продолжаются вплоть до температуры конца рекристаллизации ТКр. Температура начала рекристаллизации зависит от множества факторов. В первую очередь, она связана с природой самого металла, для чистых металлов ее можно приближенно оценить по температуре его плавления:

Тнр - 0, 3 ТПл, где ТПл - температура плавления металла,

ТНр - температура начала рекристаллизации.

Коэффициент 0, 3 приближенный и зависит от чистоты металла. Для особо чистых металлов он уменьшается до 0, 25 — 0, 15, для сплавов увеличивается до 0, 6.

Температура начала рекристаллизации зависит также от степени пластической деформации и уменьшается с увеличением степени пластической деформации.

Образование новых недеформированных зерен и снижение внутренней энергии металла за счет уменьшения концентрации дефектов приводит к изменению механических свойств. На рис. 5 показана зависимость прочности и пластичности холодно деформированного железа от температуры отжига. Пластичность и вязкость металлов и сплавов существенно зависит от размера зерна. В свою очередь, размер зерна зависит от температуры рекристаллизационного отжига и степени предварительной пластической деформации.

В процессе рекристаллизации обработки размер зерна обычно уменьшается по сравнению с исходным, так как происходит зарождение новых мелких зерен, которые не успевают вырасти к моменту окончания процесса. С повышением температуры выше температуры конца рекристаллизации зерно продолжает расти. Особенно интенсивно это происходит в чистых металлах. На размер зерна оказывает влияние также степень предварительной холодной пластической деформации. Чем выше степень деформации, тем меньше размер рекристаллизованного зерна.

Температура рекристаллизации обработки является физической границей между холодной и горячей пластической деформацией. Пластическая деформация ниже этой температуры является холодной. При этом возникает упрочнение металла - наклеп. Пластическая деформация при температурах выше температуры рекристаллизации называется горячей. При горячей пластической деформации наклеп непрерывно снимается процессом рекристаллизации. После горячей пластической деформации упрочнения металла не наблюдается. Выбор температуры рекристаллизационного отжига определяется составом сплава и степенью холодной пластической деформации. Обычно она назначается на 50-100°С выше температуры конца рекристаллизации.

Препятствовать движению дислокаций могут, прежде всего, любые искажения атомной решетки, обусловленные различными причинами, а также высокодисперсные твердые включения. Такие искажения можно создать искусственно, например, путем термической обработки. Это будет способствовать повышению прочности сплава. Для того чтобы более полно уяснить себе этот вопрос, рассмотрим внутреннее строение (структуру) стали и влияние на нее термической обработки.


Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2023 год. (0.006 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал