Лекция№26

Пластическая деформация металлов. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.

1. Деформация монокристалла
2. Деформация поликристалла
3. Свойства деформированных металлов
4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированных металлов

-возврат

-рекристаллизация

5. Холодная и горячая пластическая деформация.

Для металлов характерно сочетание высокой прочности с достаточно большой пластичностью. Под пластичностью понимают способность металла непрерывно деформироваться, т.е. искажать форму и размеры под воздействием приложенной нагрузки вплоть до разрушения.

Упругая деформация исчезает после снятия внешней нагрузки. При этом имеет место упругое смещение атомов относительно друг друга. Атомы возвращаются в исходное положение под воздействием внутренних сил межатомного взаимодействия. Структура и свойства металла при этом остаются неизменными.

Пластическая деформация возникает при достижение определенного уровня напряжений. Способность металла применять форму – это технологическая сторона пластичности. С другой стороны пластичность препятствует разрушению и тем самым, способствует противостоянию металла внешним нагрузкам. Поэтому важно уметь управлять пластичностью, а для этого надо знать, что происходит в металле при его деформации.

Монокристалл деформируется под действием приложенной нагрузки в тех металлах и потому направлению, где касательные напряжения превысит критическое значение. Эта система скольжения называется главной. При этом слой кристалла сдвигается друг относительно друга вдоль плоскостей скольжения. Деформация по плоскости скольжения происходит не по схеме жесткого синхронного сдвига, предполагающего одновременное смещения всех атомов расположенных в плоскости скольжения, а неоднородное последовательное распространение скольжения. Постепенное перемещение сдвига обеспечивается дефектами кристаллического строения – дислокациями. Когда краева дислокация выходит на поверхность, то на ней возникает ступенька и её ширина растет и она становится видимой поскольку за дислокацией движутся десятки сотни других дислокаций. Такая ступенька называется линией скольжения. Деформация не однородна и линия скольжения редко располагаются близко друг к другу. Близко расположенные линии скольжения образуют полосы скольжения. По мере деформирования кристалла происходит поворот плоскости скольжения в сторону приближения к оси действующей нагрузки и изменению величины действующих касательных напряжений. В результате сдвига и поворота плоскостей скольжения зерно вытягивается в направление действующих сил.

С ростом величины деформации скольжения распространяется и на другие системы скольжения. В этом случае дислокации движутся в пересекающихся плоскостях, что приводит к возрастанию сопротивления их движению и образованию сложенной дислокационной структуры и как следствие упрочнение металла.

Деформация поликристалла – происходит значительно сложнее. Из-за различной ориентации зерен деформация их начинается неодновременно и развивается неоднородно. В первую очередь деформируется благоприятно ориентированные зерна, в которых плоскости легкого скольжения направлением максимальных касательных напряжений. Сдвиг в зерне происходит последовательно, с начало по одной плоскости, затем по другой, соседней, параллельной первой и так далее. Макроскопическое удлинение детали, образуя только за счет легкого скольжения невозможно. Благоприятно ориентированных зерен не много и они разобщены. Чтобы деформировать всю деталь необходимо участие в деформации большинства зерен или их последовательности. Поэтому рассмотрим как происходит передача деформации от одного зерна к другому. Вначале деформируются благоприятно ориентированные зерна. На их границах образуется скопление деформаций вблизи которых возникают поле упругих напряжений. Эти упругие напряжения оказывают воздействие на границы и прилегающие к ним участки соседнего зерна в дополнение к напряжениям приложенным извне. На границе соседнего зерна происходит возбуждение источников дислокации, которые под влиянием действующих напряжений могут двигаться в относительно не благоприятно ориентированной системе скольжения. Таким образом в поликристаллическом теле происходит эстафетная передача от одного зерна к другому.

Плотный контакт между зернами входе пластической деформации не нарушается и их деформация происходит тесной связи с соседними зернами. Приграничные районы - места интенсивной деформации и повышенной плотности дислокаций. Сами зерна вытягиваются в направление течения металла, что приводит к образованию характерной волокнистой структуры. В таком состоянии металл имеет ярко выраженную анизотропию свойств. Прочность металла вдоль вытянутых зерен значительно больше, чем в поперечном направлении.

Свойства деформированных металлов.

В результате пластического деформирования металл переходит в наклепанное состояние. Под наклепом понимают совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств. Часть (5-10%) затраченной энергии на деформирование наклепанный металла запасами. Эта энергия идет на образование дислокаций (плотность их увеличивается до 10¹¹-10¹² см² ) и упругие искажения решетки. Из-за повышения плотности дислокаций в наклепанном металле затрудняется их перемещение. Свойства деформированного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации. При деформировании увеличивается HB, σ_в, σ_0,2, понижается пластичность и вязкость. Особенно интенсивно происходит изменение свойств на начальной стадии деформирования. Величину деформации оценивают степень пластической деформации:

- Относительное удлинение

Δ=(l₁-l₀)/l₁*100%

-относительное сужение

Ε=(F₀-F₁)/F₁*100%

Где F₀ и F₁ – площадь поперечного сечения образца в исходном и конечном состоянии.

l₀ и l₁ – длинна образца в исходном и конечном состоянии.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированных металлов

Пластическая деформация приводит металл в неравновесное состояние с повышенной энергией. Такой металл стремиться самопроизвольно вернуться в равновесное состояние с меньшей энергией. Процесс восстановления сводится в основном к уменьшению количества дислокаций и перераспределение их в кристаллах. Это происходит путем перемещения (диффузии) атомов. Решающее влияние на эти процессы оказывает температура. С тостом температуры увеличивается диффузионная подвижность атомов и появляется возможность реализоваться переходу к равновесному состоянию путем протекания процессов возврата и рекристаллизации.

Возврат развивается при относительно низких температурах ниже 0,3 Тпл металла или сплава. Возвратом называют изменение тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла. Размеры и формы зерен при возврате не изменяются. Возврат подразделяют на две стадии: отдых и полигонизация.

Отдых при нагреве деформированного металла имеет место всегда. При отдыхе уменьшается количество точечных дефектов, вакансий. Температура создает условия для движения дислокаций и их перегруппировке, для аннигиляции встречаются дислокаций резкого знака, таким образом снижается общая плотности дислокаций.

Полигонизация это стадия возврата при которой имеет место дробления кристаллов на полигоны (субзерна) за счет образования малоугловых границ. Это границы образуются в результате движения заторможенных дислокаций и выстраивания их в стенке делящие деформированное зерно на отдельные ячейки (субзерна). Такие процессы дробления зерна называются полигонизацией. Обычно полигонизация в металлах технической чистоты, твердых растворов развивается только после небольших степеней деформации и ис у всех металлов. Блочная структура весьма устойчива и сохраняется до высоких температур (температура плавления), такие справы не рекристаллизуются. В результате возврата прочность, твердость понижается 15-20%, а пластичность возрастает и сохраняется волокнистая структура.

Рекристаллизация – это процесс зарождение и последующего роста новых, равновесных зерен на базе ранее деформированных зерен. Рекристаллизация имеет место в металлах подвергаемых пластической деформации. Различают рекристаллизацию: первичную, собирательную и вторичную. Зарождение и рост зерен с более совершенной структурой начинается после нагрева деформированного металла выше определенной температуры – температуры рекристаллизации (Тр). Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, накопленная при деформации и связанная в основном с дислокациями. Таким образом деформированные металл при нагреве стремиться перейти в более устойчивое состояние с меньшим запасом свободной энергии.

Первичная рекристаллизация начинается с образованием зародышей новых зерен. Зародыши появляются в местах наиболее сильного искажения кристаллической решетки, по границам деформированных зерен. В зарождении центров новых зерен ведущую роль имеет диффузионные процессы. Зародыши растут в следствии диффузии атомов из окружающих их объемов деформированного металла. Рост зерна происходит до их взаимного соприкосновения и по её завершении структура метала состоит из новых мелких равновесных зерен. Первичная рекристаллизация сопровождается резким изменением свойств.

Собирательная рекристаллизация заключается в росте зерен рекристаллизованного металла при его нагреве до более высоких температур. Движущей силой процесса собирательной рекристаллизации является стремление металла укратить сильно развитую поверхность (поверхностную энергию). Поверхность мелких зерен велика и запас энергии у них большой. Зерна растут за счет диффузионного перемещения атомов из соседних зерен к растущему зерну. Вторичная рекристаллизация завершается увеличением мелких зерен до приблизительно одинакового размера.

При нагреве до более высоких температур структура рекристаллизованного металла состоит из множества равноосных зерен (после собирательной рекристаллизации) и небольшого числа очень крупных (гигантских) зерен. Образование таких зерен (вторичная рекристаллизации) происходит путем поглощение соседних зерен более крупными и происходит это в результате растворения примесей расположенных вдоль границ.

Температура рекристаллизации чистых металлов и сплавов связано с температурой плавления зависимостью:

Тр=а*Тпл

Где Тр - абсолютная температура рекристаллизации.

Тпл – абсолютная температура плавления (металла, сплава)

а – коэффичиент равенства

0,1÷0,2 –для металлов очень чистых

0,3÷4 – для металлов технической чистоты

0,5÷0,6 – для твердых растворов

0,7÷0,8 – для жаропрочных сплавов.

В зависимости от температуры деформации металлов подразделяется на холодное и горячее. Холодное деформирование проводят при температурах ниже чем температуры рекристаллизации, а горячая- при температуре выше Тр. При горячем деформировании (температура много выше Тр) одновременно протекает процессы упрочнения (наклёп) и рекристаллизованные процессы (разупрочнение). При горячей пластичной деформации рекристаллизационный процессы устраняют наклеп полностью и металл не упрочняется.

Дата добавления: 2014-01-04