УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ

Упругая деформация.

Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и обратимое смещение атомов. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

Пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится

Схемы упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига т

Рис. 49. Схемы упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига т:

а — первоначальный кристалл; в — упругая деформация: в — увеличение упругой и появление пластической деформации, вызванной скольжением при нагружении, больше предела упругости: е — напряжение, обусловливающее появление сдвига (после едвнга сохранилась остаточная деформация); о — образование двойнина необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Схема упругой и пластической деформации металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 49.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее.

Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

В металлах с ГЦК решеткой — Fev, Си, А1 и других — скольжение протекает по плоскостям октаэдра (111) и в направлении диагонали грани куба [1101; а в металлах с ОЦК решеткой — Fea, Mo, V и других — скольжение наиболее легко осуществляется по плоскостям (ПО), (112) и (123) в направлении пространственной диагонали куба [111 ] (см. рис. 8); в металлах с ГПУ решеткой — Mg, Zn, Be и др. — скольжение идет по плоскости базиса.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с ГПУ структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим видам деформации.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой.

Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла

Рис. 50. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а — ахема расположения дислокаций; вв — этапа передвижения днслонации и вахода ее на поверхность; т — напряжение адвира; ММ — плоскость сдвига

Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис. 50). При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений в направлении, указанном стрелкой, атомы вблизи ядра дислокации перемещаются справа налево на расстояния (1 -? 2; 3 -* 4; 5-? 6; 7 -*> 8; 9 -? 10; 11-> 12; 13-* 14; 15-? 16; 17-? 18), значительно меньшие

межатомных. Атомы смещаются не только в плоскости чертеж^, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости. Дислокации могут переходить с одной плоскости скольжения на другую. Этот переход (переползание, восхождение) осуществляется добавлением или удалением слоя атомов путем диффузии.

Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (рис. 50, б-г), при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька. Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Возможность образования дислокаций в процессе деформации была показана в 1950 г. одновременно двумя учеными — Франком и Ридом, но предсказал ее еще в 1940 г. Я- М. Френкель.

Механизм образования дислокации, по Франку и Риду, заключается в том, что закрепленная в точках А и Ах дислокация может под действием касательных напряжений испытывать перемещения, показанные на рис. 51. Линия дислокации, разрастаясь, превращается в дислокационное кольцо. В то же время обе концевые части спиралей, сливаясь, дают дислокацию ААх в исходном состоянии. Далее под действием напряжений процесс начинается

Схема последовательных /—V стадий действия источника Франка — Рида

Рис. 51. Схема последовательных /—V стадий действия источника Франка — Рида

Кривая дефорнационного упрочнения моно- и поликристалли- ческого металла с ГЦК решеткой

Рис. 52. Кривая дефорнационного упрочнения моно- и поликристалли- ческого металла с ГЦК решеткой: / — монокриоФалл; 2 — поликристалл

снова, дислокация как бы возвращается в начальное положение и т. д.

Если продолжает действовать напряжение а, то из одного источника могут образоваться сотни дислокаций и прекратиться действие источника может лишь в том случае, когда на пути развивающейся петли дислокаций встретится препятствие — новые системы дислокаций, частицы избыточных фаз, границы зерна и т. д.

На начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществляется движением дислокаций по одной системе плоскостей — стадия легкого скольжения (рис. 52). Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значительного роста действующих напряжений (стадия / деформационного упрочнения). После этого начинается стадия множественного скольжения — движение дислокации в двух и более системах. На этой стадии после значительной деформации дислокационная структура металла сильно усложняется и плотность дислокаций («лес» дислокаций) возрастает по сравнению с исходным состоянием на четыре — шесть порядков, достигая 10й — 1012 см~а. Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление их движению сильно возрастает (см. рис. 52) и для их продвижения внешнее напряжение должно резко возрасти (стадия II деформационного упрочнения). Под влиянием все возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т. е. скольжение с переходом из одной разрешенной плоскости скольжения в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячеек. Наступает III стадия деформации, когда происходит так называемый динамический возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения (см. рис. 52).

Дислокации, движущиеся в деформированном металле, порождают большое число дислоцированных атомов и вакансий.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >