Напряжения и деформации. Дислокационная теория пластической деформации

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Деформация металлов — изменение их формы и размеровбез макроразрушения под действием внешней силы. Исходный ме­талл в виде слитка для получения заданной формы и размеров готового изделия подвергается сложной обработке, начиная с обработки давлением. Последняя основана на пластической деформации, которой предшествует упругая деформация.

Если к металлическому телу, один конец которого закреп­лен, приложить внешнюю, например, растягивающую силу, то в теле возникнут внутренние силы, направленные в сторону, противоположную действию внешней силы. Появление в теле внутренних сил необходимо для уравновешивания внешних сил. Взаимно уравновешиваться эти силы могут только при дей­ствии на абсолютно твердые тела. Поскольку таких тел в при­роде нет, то при действии внешней силы металлическое тело испытывает деформацию. Деформация осуществляется до тех пор, пока между внешними и внутренними силами не наступит равновесие.

Внутренние силы могут возникнуть также при различных физических и физико-химических процессах (например, при не­равномерном нагреве), как результат препятствия неравномер­ному изменению формы тела в каком-либо направлении; обычно таким препятствием является целостность деформируемого тела.

Появление в металлическом теле внутренних сил свидетель­ствует о том, что тело находится в напряженном состоянии. Под напряженным состоянием тела понимают состояние вынуж­денного отклонения атомов от положения устойчивого равнове­сия в элементарной кристаллической решетке, вследствие чего атомы стремятся вернуться к своим нормальным положениям.

Металлы могут деформироваться упруго (обратимо) и пла­стически (остаточно, необратимо).

Упругая деформация — это деформация, при которой металл полностью восстанавливает форму и размеры после прекраще­ния действия сил, вызывавших эту деформацию.

При нормальных условиях между атомами металлического тела действуют электростатические уравновешивающие силы притяжения и отталкивания. Такому положению равновесия от­вечает минимум потенциальной энергии кристаллической решётки. Если приложить к телу внешнюю силу, то равновесие внутренних сил нарушается. Для восстановления равновесия

атомы из положений устойчивого равновесия немного смеща­ются в ближайшие положения, не превышающие расстояния между соседними атомами (параметра решетки); при этом по­тенциальная энергия решетки увеличивается. В новом поло­жении атомов также достигается равновесие между внутрен­ними силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой—с другой. Как только устраняется внешняя сила, атомы занимают свои прежние места и между силами притяжения и отталкивания атомов вновь восстанавливаются равновесие и прежнее расстояние между атомами.

При одноосном растяжении или сжатии зависимость между относительной упругой деформацией ε и напряжением σ выра­жается законом Гука:

ε = σ /Е, где Е— модуль Юнга.

Упругая деформация сопровождается изменением объема тела. Так, при появлении упругой деформации, например при растяжении, в направлении действия внешней силы в перпен­дикулярном к ней направлении возникает упругая деформация противоположного знака, равная произведению коэффициента Пуассона μ, на величину деформации. Из этого следует, что при вынужденном удалении атомов друг от друга в одном направ­лении в перпендикулярном к нему направлении атомы сбли­жаются.

Упругая деформация характеризуется двумя основными кон­стантами: модулем Юнга и коэффициентом Пуассона. При этом модуль Юнга является показателем, который характеризует сопротивление металла упругой деформации, а коэффициент Пауссона определяет относительное изменение объема металла.

При упругой деформации физико-химические свойства на­пряженного тела будут иными, чем ненапряженного. Так, ме­таллы, будучи подвергнуты упругой деформации, имеют мень­шую электропроводность и значительно большую растворимость, чем те же металлы в ненапряженном состоянии.

При достижении упругой деформацией величины, превышаю­щей предел упругости, наступает пластическая, или остаточная, деформация.

Пластическая деформация — это деформация, при которой металл под действием внешних сил необратимо изменяет, свою форму и размеры, т. е. деформируется без разрушения и сохра­няет новую форму и размеры после прекращения действия сил.

Пластическая деформация состоит в следующем. При при­ложении внешней силы к металлическому телу между отдель­ными кристаллитами (зернами) тела, а также по их кристалло­графическим плоскостям возникают сдвигающие или касательные напряжения. При достижении касательными напряжениями некоторой критической величины, зависящей от природы тела, они могут преодолеть сопротивление металлической связи дан­ного тела и вызвать либо внутренние необратимые перемещения в зернах по кристаллографическим плоскостям, либо пере­мещения зерен друг относительно друга. При этом пластическая деформация

происходит главным образом за счёт внутризёренных перемещений, а перемещения по границам зёрен происходят лишь постольку, поскольку зёрна, меняя форму (когда перемещаются их части), изменяют своё расположение друг относительно друга.

Рис. 6.1. Микроструктура (Х900) технически чистого железа до деформации (а) и после нее на 9% (б), на 27 % (в) и схемы скольжения (г) и двойникования (б) при пластической деформации.

Установлено, что при преобладании межзёренных смещений пластичность резко снижается и может на­ступить хрупкое разрушение металла.

Смещения в кристаллической решетке зерна осуществляются по определенным плоскостям и направлениям. В зависимости от особенностей этих смещений различают смещения скольжением и двойникованием. Плоскости и направления смещений соответственно принято называть плоскостями и направлениями скольжения и двойникования.

При рассмотрении микроструктуры деформированного чи­стого железа видны темные линии (рис. 6.1,6, в), которые пред­ставляют собой следы плоскостей скольжения (или двойнико­вания).

Рис. 6.1. Cхемы скольжения (г) и двойникования (б) при пластической деформации.

В отдельных зернах следы смещений образуют систему па­раллельных или пересекающихся под определенным углом ли­ний. Рентгеноструктурным анализом установлено, что скольжения в кристаллической решётке происходят по плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью расположения атомов. Важной характеристикой этих плоскостей и направлений явля­ется то, что в них скольжение вызывается минимальным каса­тельным напряжением τ_кр. По другим плоскостям и направле­ниям, по которым атомы менее плотно упакованы, для осуществления скольжения надо иметь большую величину каса­тельных напряжений. Нормальное напряжение в процессе скольжения не участвует.

Деформация скольжения происходит тогда, когда в результате действия внешней силы Р на зерно (рис. 6.1, г) по плоско­стям скольжения, ориентированным к направлению силы под углами, отличными от 0 до 90°, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна друг относительно друга. Сдвиги скольжением происходят по тем кристаллографи­ческим плоскостям, в которых касательные напряжения дости­гают критической величины. Обычно эти плоскости расположены под углом, близким к 45° к направлению действия силы. Одновременно со сдвигом части зерен поворачиваются в на­правлении растяжения.

При_деформации двойникованием перемещение частей зерен друг относительно друга под действием касательных напряже­ний сопровождается изменением ориентировки кристалличе­ской решетки. Смещенная часть становится как бы зеркальным отражением неподвижной части кристалла (рис. 6.1,д). Двойникование наблюдается реже, чем скольжением, в частности, оно происходит в случае деформации при повышенных температурах, ударном действии нагрузок и при деформации металлов, имеющих гексагональную решётку. Пластическая деформация металлов осуществляется в основном за счёт скольжения. Двойникование в ряде случаев сопутствует деформации сколь­жением.

Видимые, линии скольжения при пластической деформации металла представляют собой полосы скольжения. Они отстоят одна от другой на расстоянии примерно 1 мкм, а расстояния между соседними атомными плоскостями выражаются величи­ной порядка 10^-4 мкм. Следовательно, в скольжении принимают участие блоки и пачки атомных плоскостей.

Полосы скольжения при пластической деформации нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой одновременный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни и тысячи раз превышаю­щих напряжения, при которых протекает реальный процесс деформации. Полосы скольжения наблюдаемые на микроструктуре чистого железа представляют собой результат последовательного перемещения атомов в определённой плоскости.

Процесс скольжения представляет собой перемещение дислокаций в кристалле. При сдвиге происходит нарушение ме­таллических связей в каждый данный момент времени только у тех атомов вдоль плоскости скольжения, где имеются раз­личные несовершенства кристаллической решетки (нарушения правильности ее строения).

Несовершенства кристаллической решетки связаны с рядом причины. В реальном кристалле все его частицы (электроны, атомы и ионы) находятся в движении: движутся оторванные от атомов коллективизированные. электроны, обеспечивающие металлическую связь; в колебательном движении около своих средних положений устойчивого равновесия находятся атомы и ионы; время от времени отдельные атомы или ионы отрываются от средних положений и перемещаются по кристаллу, застре­вая где-либо в кристалле и вызывая этим нарушение правиль­ности построения кристаллической решетки, или покидают кристалл (испаряются), оставляя свое место вакантным. Вы­шедший из равновесного положения атом называют промежу­точным, или дислоцированным, а место, оставшееся пустым в узле кристаллической решетки,—вакантным, или «вакан­сией». Процесс движения атомов, ионов и электронов продол­жается непрерывно, а вместе с ними движется и вакантный узел. Одни вакантные узлы, выходя на наружную поверхность или на поверхность какого-либо внутреннего дефекта, исчезают, другие вновь создаются. В результате в каждый данный момент времени в кристалле имеется какое-то количество вакантных мест, или застрявших атомов, вокруг которых возникают несо­вершенства кристаллической решётки.

Другой причиной несовершенства кристаллической решетки является присутствие в металлах примесей. При затвердевании металла из жидкой фазы в кристаллы попадают атомы примесей, которые могут образовывать твердые растворы внедрения или твердые растворы замещения. Атомы примесей (или атомы растворенного компонента) по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного металла и вследствие этого вызывают искажения кристаллической решетки (см.рис. 4.10,в, г).

Кроме того, у границ зерен при кристаллизации и перекри­сталлизации наблюдается, неправильность внешней формы зёрен металла (см. рис. 4.7), а также различие в направлениях отдельных кристаллографических плоскостей в смежных зернах. Это приводит к тому, что пограничный слой на стыке между зернами имеет нарушения правильности взаимного расположения атомов (см. рис. 4.6). Особенностью строения этого пограничного слоя является также и то, что он обычно насыщен примесями и неметаллическими включениями. Это обусловли­вает появление внутренних и внешних поверхностей раздела между отдельными зернами, что вызывает искажение кристал­лической решетки. Количество нарушений правильного строе­ния кристаллической решетки в реальных кристаллах очень ве­лико. Подсчитано, например, что в 1 мм³ алюминия при 300 °С имеется примерно 6-10¹³ вакантных мест и 2-10¹⁷ атомов при­месей кремния в решетке алюминия (при содержании в алю­минии 0,3% Si); в указанном объеме существуют внутренние поверхности раздела по границам 10¹² блоков и внешние по­верхности раздела по границам 10¹³ зерен (линейные размеры зёрен приняты равными 100 мкм).

Рассмотренные и другие виды нарушений строения реального металла создают области искажений кристаллической

решетки, которые приводят к неравномерности протекания в металлах различных процессов, например, деформации.

При приложении деформирующей силы к поликристаллическому телу с несовершенным строением кристаллической ре­шетки в теле возникает одна или несколько плоскостей сколь­жения, вдоль которых перемещается дефект в атомном слое пу­тем передвижения друг за другом атомных рядов (рис. 5.2). В результате сдвигается верхний слой, а с ним и верхняя часть кристалла относительно другого, нижнего слоя на один атом­ный размер. При продолжении действия деформирующей силы обеспечивается перемещение следующего дефекта; при этом, как и ранее, передвигается часть кристалла еще дальше на один атомный размер и т. д.

Рис. 6.2. Схема перемещения атомов при движении дислокации на одно межатомное расстояние

Подвижные дефекты кристаллической решетки, при переме­щении которых происходит смещение частей кристалла друг от­носительно друга, называют дислокациями.

Итак, пластическая внутризеренная деформация осущест­вляется благодаря действию касательных напряжений по опре­деленным плоскостям скольжения за счет последовательного смещения дислокации и атомов на расстояния, значительно пре­вышающие межатомные.

При нагружении поликристаллического тела внешней силой пластическая деформация сначала начинается в отдельных зер­нах с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей сколь­жения относительно направления действия силы, т. е. такой ориентировкой, при которой плоскости скольжения совпадают с площадками действия максимальных касательных напряже­ний, вызываемых внешней силой. По этим плоскостям сколь­жения происходит так называемое легкое скольжение. Сосед­ние зерна с менее благоприятной ориентировкой деформиру­ются только упруго и могут получить относительное смещение или поворот вследствие значительной внутризеренной деформа­ции благоприятно ориентированных зерен.

По мере увеличения деформирующей силы менее благо­приятно ориентированные зерна поворачиваются в направлении действия внешней силы. После стадии единичного (легкого) скольжения начинается стадия множественного скольжения, т. е. движение дислокации в двух и более системах плоскостей скольжения. Касательные напряжения, действующие в менее благоприятных плоскостях скольжения, достигают величины, необходимой для начала пластической деформации этих зерен. Смещения и повороты одних зерен относительно других приво­дят к межкристаллитной деформации. Продолжение действия внешней силы обеспечивает развитие пластической деформации обрабатываемого тела.

Дата добавления: 2014-01-06