4. Пластическая деформация


Пластическая деформация
Пластической деформацией – необратимая деформация материала, т.е. такая, которая сохраняется после снятия нагрузки.
В макромасштабе подобная деформация проявляется как остаточное формоизменение. Основным механизмом пластической деформации является внутризеренный сдвиг одних частей кристалла (зерна) относительно других. На атомном уровне такое перемещение осуществляется посредством разнообразных способов движения дислокаций.
Само сдвигообразование может происходить различными механизмами, наиболее важными из которых являются скольжение и двойникование.

а б в
Различные способы деформации кристалла (при действии осевой сжимающей нагрузки):
а - недеформированный кристалл;
б - деформация скольжением;
в - деформация двойникованием
Скольжение - такая разновидность сдвигового перемещения, когда одна часть кристалла как жесткое целое переносится относительно другой, условно принимаемой за неподвижную. После завершения указанного перемещения в обеих частях кристалла полностью восстанавливается прежняя геометрическая координация атомов, т.е. такой сдвиг является трансляционным.
Этот процесс является кристаллографически упорядоченным - происходит по определенным плоскостям и вдоль определенных направлений. Наименьшее сопротивление движению дислокаций со стороны самой решетки оказывается в том случае, когда она скользит
а) по плотноупакованным плоскостям (наиболее удаленным друг от друга) и
б) вдоль плотноупакованных направлений (там будет наименьший трансляционный вектор - вектор Бюргерса).
Плоскость скольжения и направление скольжения, лежащее в этой плоскости, образуют систему скольжения.
. Двойникование - сдвиг происходит в результате кристаллографической переориентации смещенной части кристалла в положение, являющееся зеркальным (обратным) по отношению к основной (матричной) части. Возникающая двойниковая прослойка (двойник) отличается от матрицы только кристаллографической ориентировкой, но при этом они обе сохраняют одинаковую по уровню симметричности пространственную решетку.
При двойниковании сдвиг смежных плоскостей происходит на расстояние, меньшее величины вектора тождественной трансляции. Однако он (сдвиг) последовательно накапливается за счет одинакового смещения каждой атомной плоскости относительно соседней. При этом двойникование предполагает кооперативное перемещение всех атомов, находящихся в двойниковой прослойке, в такое положение, которое становится зеркально-симметричным по отношению к остальной части кристалла (матрице).
Обычно двойникование идет в тех случаях, когда по тем или иным причинам оказывается затрудненным скольжение. Поэтому оно не является основным видом деформации в тех металлах, которые обладают большим числом систем скольжения (например, с ГЦК решеткой). Напротив, наиболее часто оно наблюдается в металлах, в которых возможности для скольжения весьма ограничены , скажем, в гексагональных плотноупакованных, где скольжение может идти по единственной базисной системе. Так, монокристалл цинка легко деформируется путем базисного скольжения, если плоскость базиса ориентирована наиболее благоприятным. Но если эта плоскость расположена параллельно или перпендикулярно оси растяжения, то кристалл будет деформироваться другим способом двойникованием. Двойникованию благоприятствует также деформация при низких температурах и высоких скоростях нагружения. В этих условиях, когда становится затрудненным скольжение, сдвиг реализуется посредством конкурирующего механизма двойникование. Такую картину можно наблюдать, например, в металлах с ОЦК решеткой в железе (-Fe), молибдене, вольфраме, хроме. При отрицательных температурах и ударном нагружении деформация двойникованием возможна даже в металлах с ГЦК решеткой.
Как и скольжение, двойникование является процессом кристаллографически упорядоченным, т.е. происходит по определенным плоскостям и вдоль определенных направлений (соответственно это плоскости и направления двойникования). Для каждого типа кристаллической решетки существует своя система двойникования.
Структура деформированных металлов и сплавов
Структура деформированного материала зависит от таких факторов, как схема и условия деформации, степень обжатия, температура и скорость деформирования, его кристаллическое строение и химический состав. Как отмечалось, холодная пластическая деформация происходит двумя путями - скольжением и двойникованием. При деформации скольжением на предварительно полированных образцах появляются рельефные ступеньки, которые выглядят под микроскопом как прямые параллельные линии в пределах отдельных кристаллитов-зерен (так называемые линии скольжения).

Линии скольжения в железомарганцевом сплаве (х400)
Возможны также ситуации, когда деформация скольжением оказывается затрудненной. В этих условиях деформация может осуществляться за счет развития конкурирующего механизма сдвигообразования - двойникования. В структуре деформированного таким способом образца можно наблюдать тонкие линии деформационных двойников.
С ростом обжатия меняется и форма зерен. Они вытягиваются в направлении деформации при растяжении и перпендикулярно нагрузке при сжатии
Наиболее важным результатом структурного изменения при пластической деформации является резкое увеличение плотности дислокаций. Если у отожженного поликристаллического материала плотность дислокаций составляет 106 -108 см-2 , то после сильной деформации она увеличивается на несколько порядков - до 1010 -1012 см-2.

Структура отожженной (а) и деформированной (б) растяжением на 25 % латуни (х200)
Электронно-микроскопическое исследование показало, что с увеличением степени деформации дислокации связываются в сложные сетки. В зернах начинает формироваться ячеистая структура, характеризующаяся неравномерным распределением дислокаций, - образуются густые замкнутые объемные дислокационные сплетения (границы ячеек), внутри которых плотность дислокаций остается относительно небольшой. Соседние ячейки разориетированы между собой на небольшой угол и поэтому такая дислокационная граница является малоугловой.
С увеличением деформации ячеистая структура становится более развитой, границы оказываются не такими размытыми, из объемных они постепенно преобразуются в относительно плоские, но с высокой плотностью дислокаций. Подобные хорошо оформленные ячейки с плоскими стенками называются субзернами, а саму образовавшуюся структуру - субзеренной.

Ячеистая структура деформированного материала (просвечивающая электронная микроскопия). Аустенитная сталь, деформация 80%. х30000
Таким образом, с возрастанием степени пластической деформации резко возрастает плотность дислокаций, увеличивается число порогов, может формироваться ячеистая структура (переходящая в субзеренную), растет концентрация точечных дефектов.

Текстура деформации
В результате деформирования поликристалла в большинстве зерен начинает преобладать определенное кристаллографическое направление или определенные направление и плоскость, располагающиеся параллельно направлению деформации. Такая преимущественная кристаллографическая ориентировка называется текстурой. Различают несколько основных типов текстур. определяемых, главным образом, способом деформации.

Текстурообразование вследствие пластического деформирования
Волокнистые текстуры. Такие текстуры возникают в условиях доминирования одноосных процессов деформирования - волочения, прессования, радиальной ковки, в результате которых зерна вытягиваются в направлении деформации. Например, волокнистая текстура, формирующаяся при волочении, характеризуется особым кристаллографическим направлением, параллельным оси проволоки.
<uvw> - текстура волочения
Текстуры прокатки. Для текстур прокатки характерно не только определенное кристаллографическое направление, параллельное направлению прокатки, но также определенная кристаллографическая плоскость, параллельная плоскости прокатки (плоскости листа или полосы).
<uvw> + {hkl} текстура прокатки

Практическая важность образования текстур обусловлена тем, что они вызывают анизотропию механических и физических свойств поликристаллов. Такая анизотропия может либо оказаться серьезным недостатком, либо быть весьма полезной. Например, при подходящем выборе текстуры лист в нужном направлении может быть прочнее, чем лист из того же материала, но без текстуры.

Текстуры волочения для ОЦК (а) И ГЦК (б) металлов

Текстуры прокатки для ОЦК (а) И ГЦК (б) металлов
Текстуры деформации
Кристаллическая
структура Вид обработки Тип текстуры
ГЦК Волочение и прессование <111> параллельно оси проволоки
Возможна вторая компонента <100>
ОЦК Волочение и прессование <110> параллельно оси проволоки
ГЦК
Прокатка {110} параллельно плоскости прокатки
<112> параллельно направлению прокатки
ОЦК Прокатка {001} параллельно плоскости прокатки
<110> параллельно направлению прокатки
Изменение механических и физических свойств
Механические свойства. С увеличением степени нагружения возрастает сопротивление металла пластической деформации. Поэтому чтобы поддерживать непрерывную деформацию, нужно постоянно прикладывать все исходит деформационное упрочнение. Такое упрочнение металла в процессе пластического деформирования называется наклепом.
Причины деформационного наклепа непосредственно связаны с протекающими при деформации структурными изменениями:
1) резкое повышение плотности дислокаций,
2) образование фрагментированной (ячеистой) структуры в результате преобразований дислокационных скоплений.
3) формирование текстуры (в поликристаллах), сопровождающееся возрастанием анизотропии прочностных свойств.
В ходе пластической деформации помимо сдвига в объеме зерен наблюдается скольжение по границам, в результате зерна поворачиваются относительно друг друга. Это вызывает изменение ориентировки, становится возможным скольжение в ранее недеформированных зернах.
При деформировании металла на 50-70% предел прочности и твердость обычно увеличиваются в полтора-два раза. Относительное удлинение резко уменьшается уже при небольших деформациях, а после сильных обжатий может снижаться иногда в 20-30 раз.

Деформационная зависимость механических (а) и физико-химических (б) свойств металлов: в - предел прочности; 0,2 - предел текучести; - относительное сужение; - магнитная проницаемость; Hc - коэрцитивная сила; с.к. - сопротивление коррозии; - электросопротивлениеФизические свойства.  Пластическая деформация оказывает влияние и на изменение физических, а также некоторых химических свойств металлических материалов. Так, в чистых металлах наблюдается небольшое повышение электросопротивления (на 2-6%), что связано с рассеянием электронов проводимости точечными дефектами и дислокациями, размноженными в процессе деформирования. У сплавов зависимость электросопротивления от величины пластической деформации более сложная. В неупорядоченных твердых растворах электросопротивление меняется примерно так же, как и у чистых металлов. Если же деформации подвергнуть сплав на основе упорядоченного твердого раствора, то вследствие нарушения дальнего порядка, вызываемого пластическим деформированием, будет наблюдаться резкий рост электросопротивления.
С увеличением степени деформации и возрастанием плотности дислокаций снижается магнитная проницаемость и повышается коэрцитивная сила, т.к. дислокации закрепляют границы доменов в ферромагнетике. Тем самым затрудняются процессы намагничивания и перемагничивания, которые осуществляются путем перемещения доменных границ.
Пластическая деформация повышает химическую активность металла, ускоряет растворение его в кислотах и снижает стойкость против электрохимической коррозии.

Приложенные файлы

  • docx 9495905
    Размер файла: 791 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий