Пластическая деформация и разрушение металлов

Обновлено: 07.01.2025

Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с 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.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

БИЧ МЕТАЛЛОВ

БИЧ МЕТАЛЛОВ В мире нет ничего вечного — эту нехитрую истину все знают давно. То, что кажется навеки незыблемым — горы, гранитные глыбы, целые материки, — со временем разрушаются, рассыпаются в пыль, уходят под воду, проваливаются в глубины. Исчезают целые культуры, народы

Свойства металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов В этой главе будет рассказано о металлах, сплавах и их свойствах, что полезно не только для мастеров слесарного дела, но для всех, кто занимается чеканкой, ковкой, художественным литьем (этому посвящены последующие главы).Металл относится к

1. Строение металлов

1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы

1. Деформация и разрушение

1. Деформация и разрушение Приложение нагрузки вызывает деформацию. В начальный момент нагружение, если оно не сопровождается фазовыми (структурными) изменениями, вызывает только упругую (обратимую) деформацию. По достижении некоторого напряжения деформация (частично)

2. Механические свойства металлов

2. Механические свойства металлов Механические свойства металлов определяются следующими характеристиками: предел упругости ?Т, предел текучести ?Е, предел прочности относительное удлинение ?, относительное сужение ? и модуль упругости Е, ударная вязкость, предел

3. Способы упрочнения металлов и сплавов

3. Способы упрочнения металлов и сплавов Поверхностное упрочнение металлов и сплавов широко применяется во многих отраслях промышленности, в частности в современном машиностроении. Оно позволяет получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при

ЛЕКЦИЯ № 8. Способы обработки металлов

ЛЕКЦИЯ № 8. Способы обработки металлов 1. Влияние легирующих компонентов на превращения, структуру, свойства сталей Легирующие компоненты или элементы, вводимые в стали в зависимости от их взаимодействия с углеродом, находящемся в железоуглеродистых сплавах,

ЛЕКЦИЯ № 11. Сплавы цветных металлов

ЛЕКЦИЯ № 11. Сплавы цветных металлов 1. Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современного производства. Медь, алюминий, цинк, магний, титан и другие металлы и их сплавы

32. Деформация в движущейся вязкой жидкости

32. Деформация в движущейся вязкой жидкости В вязкой жидкости имеются силы трения, в силу этого при движении один слой тормозит другой. В итоге возникает сжатие, деформация жидкости. Из-за этого свойства жидкость и называют вязкой.Если вспомнить из механики закон Гука, то

§ 23. Коррозия и эрозия металлов

§ 23. Коррозия и эрозия металлов Коррозией металлов называется их разрушение вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой.Химической коррозией называется процесс разрушения металлов без электрического тока, происходящий в среде сухих

4.16. Химическое окрашивание металлов

4.16. Химическое окрашивание металлов Старинные рецепты. (См. «Наука и жизнь», № 9, 1980).Применяя из старинных журналов некоторые рецепты окрашивания металлов, предупреждаем сразу тех, кто пожелает воспользоваться при работе с такими едкими и ядовитыми веществами, как

7.4.5. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ И РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

7.4.5. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ И РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ Электроосаждение металла на катоде лежит в основе электрохимического получения металлов из растворов (гидроэлектрометаллургия) или из расплавов, а также рафинирования (очистки) металлов.Металлы, имеющие

7.4.7. АНОДНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

7.4.7. АНОДНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Разработано и широко применяется несколько методов анодной обработки металлов: электрополирование, анодное оксидирование и размерная обработка.Электрохимическое полирование было открыто русским химиком Е.И. Шпитальским в 1910 г. Процесс

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины

6.2.Деформация и разрушение металлов

Упругая и пластическая деформация в своей основе принципиально отличаются друг от друга. При упругой деформации происходит обратимое смещение атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла. После снятия нагрузки атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходной положение и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства определяются силами межатомного взаимодействия.

Механизм пластической деформации на примере монокристалла.Пластическая деформация в монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое_кр.

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. Скольжение - смещение одной части кристалла параллельно другой вдоль плоскости скольжения или сдвига. Двойникование - перестройка части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (плоскость двойникования). Основное - скольжение.

Деформация скольжением развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность упаковки максимальна: - ГЦК (медь, алюминий, никель) скольжение по плоскости (111), в направлении [110]; - ОЦК по плоскости (110), в направлении [111]; - ГПУ (магний, цинк) - по плоскостям базиса (менее пластичны по сравнению с ГЦК и ОЦК).

Пластическая деформация в поликристаллических материалахосуществляется путем последовательного перемещения дислокаций от одной атомной плоскости к другой, до тех пор, пока не выйдет на поверхность. В процессе скольжения возникают новые дислокации и их плотность повышается от 10 8 до 10 12 см -2 (больше - трещины). В основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде всего, повышение плотности дислокаций. Движению дислокаций мешают границы зерен, создавая скопления дислокаций, при определенной плотности - трещины. При нагреве выше 0,3Т_плначинает действовать механизм перемещения дислокаций - переползание, представляющее диффузионное смещение дислокаций в соседние плоскости решетки в результате присоединения вакансий.

При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации, и делает металл анизотропным.

Наклепанный металл (пластически деформированный) запасает 5 - 10% энергии, затраченной на деформирование, увеличивается плотность дислокаций и упругие искажения решетки. Пластически деформированный металл упрочняется, изменяются его физические свойства: увеличиваются прочностные характеристики, твердость и понижаются пластичность и вязкость. С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, понижаются магнитная проницаемость, остаточная индукция.

Неравновесная структура, созданная деформацией у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизация. Рост числа дефектов и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводят к тому, что свободная энергия металла растет, и он приходит в неравновесное состояние. При нагреве происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций, снижение внутренних напряжений. Однако деформация зерен остается, этот процесс называют возвратом металла. При возврате прочность уменьшается, а пластичность несколько увеличивается. Возврат сопровождается изменением границ зерен. С ростом температуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен называетсярекристаллизацией. Температура рекристаллизации зависит от температуры плавления металла ( 0,3 – 0,4 для чистых металлов; 0,5 – 0,6 для сплавов). В сплавах примеси взаимодействуют с дислокациями и ограничивают их подвижность, что затрудняет образование зародышей новых зерен и тормозит рекристаллизацию, поэтому температура рекристаллизации сплавов выше. Последующий рост температуры приводит к стадии собирательной рекристаллизации, состоящей в росте новых зерен. Большое количество мелких зерен имеет больший запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая поверхность их границ уменьшается, что способствует переходу металла в более равновесное состояние. Образование крупных зерен снижает механические свойства.

Заключительная стадия деформирования материалов – разрушение. На атомном уровне разрушение представляет собой разрыв межатомных связей. Если разрыв происходит перпендикулярно плоскости разрушения, то происходит разрушение сколом или отрывом. Если разрыв идет под действием силы, приложенной параллельно плоскости разрушения, то разрушение происходит сдвигом или скольжением. Может иметь место тот и другой тип разрушения, что определяется главным образом кристаллической структурой металлов. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры, скорости деформации, напряженного состояния, чистоты металла.

В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительной величине происходит хрупкое разрушение.

Хрупкое разрушениепроисходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным напряжениям. Под действием нормальных напряжений происходит упругая деформация кристаллической решетки, а после достижения предельной степени ее искажения происходит последовательный разрыв межатомных связей с отрывом одной атомной плоскости от другой. Разрушение начинается от какого-либо дефекта, вблизи которого развивается концентрация напряжений, превосходящая теоретическую прочность металла.

Вязкое разрушениепроисходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45 к направлению главных нормальных напряжений. Чисто сдвиговое вязкое разрушение характерно для аморфных материалов (глина); чисто хрупкое характерно для идеально упругих материалов (алмаз). Большинству реальных материалов одновременно присуще и вязкое и хрупкое разрушение, а разделение условно проводится по преобладанию того или иного типа. Характерными признаками вязкого и хрупкого разрушения являются энергоемкость – величина работы разрушения (для вязкого разрушения значительно больше); вид трещины (острая трещина для хрупкого и большой угол раскрытия для вязкого) и скорость распространения трещины (для хрупкого высокая 0,4 скорости звука в металле, для стали 2 * 10 3 м / с ; для вязкой значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений).

Необходимость квалификации характера разрушений обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, увеличивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

Один и тот же материал в зависимости от условий деформации может разрушаться по хрупкому или вязкому механизму, что определяется внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относится температура, тип надреза или концентратора напряжений, условия и скорость нагружения форма и размеры детали. К внутренним относится: тип кристаллической решетки, химический состав, структура и размер зерна, зависящие от технологии предварительной обработки. Металлы с ОЦК и некоторые с ГПУ относятся к хладноломким материалам, металлы с ГЦК не склонны к хладноломкости. Измельчение зерна существенно понижает критическую температуру хрупкости. Процесс течения металла зависит от среднего расстояния, на которое перемещаются дислокации, прежде чем они будут заблокированы у границ зерен. У мелкозернистых материалов предел текучести меньше разрушающего напряжения.

6.3. Термическая обработка металлов и сплавов

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, и старение, имеются разновидности.

Отжиг- термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура зависит от состава сплава и разновидности отжига. Разновидности:

отжиг для снятия напряжений, которые могут вызвать деформацию деталей при эксплуатации или коробление. Детали нагревают, выдерживают (до десятков часов) и медленно охлаждают (20 - 200 0 С/ч).

рекристаллизационный отжиг; нагрев до температуры рекристаллизации, выдержка, скорость охлаждения не имеет большого значения. Цель - понижение прочности и восстановление пластичности, получение заданного размера зерна, в некоторых металлах образование текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали);

диффузионный отжиг (гомогенизация). В реальных условиях кристаллизация твердых растворов протекает неравновесно ( неоднородность состава по объему кристалла). Отжиг уменьшает ликвационную неоднородность твердого раствора за счет диффузионных процессов.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, эвтектоидные реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения, повышения твердости.

Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Обычно сочетание закалки с отпуском или старением позволяет получить улучшенные свойства по сравнению с отожженным состоянием. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения почти не влияют на структуру и свойства сплавов. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение; термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения, может быть искусственное и естественное.

Принципиальная возможность применения того или иного вида термической обработки может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия основных групп сплавов:

сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии;

сплавы с переменной растворимость в твердом состоянии;

сплавы с эвтектоидным превращением.

Для сплавов, не имеющих фазовых превращений в твердом состоянии, проводят термическую обработку для снятия остаточных напряжений в отливках, после проката или ковки, в сварных соединениях. Рекристаллизационный отжиг - понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической структуры, создающей анизотропию свойств и получение заданного размера зерна. Ддиффузионный отжиг - длительная выдержка при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора.

Для сплавов с переменной растворимостью в твердом состоянии - упрочняющая термическая обработка стареющих сплавов (на основе алюминия, меди, железа, никеля, титана). Термическая обработка состоит из двух операций - закалки и старения. При закалке нагрев до температуры, обеспечивающей распад вторичных кристаллов; быстрым охлаждением полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и получают однофазный сплав, пересыщенный одним из компонентов твердый раствор. Он представляет собой неравновесную структуру, с повышенным уровнем свободной энергии, поэтому при некотором повышении температуры (искусственное старение) твердый раствор будет распадаться с образованием выделений (зоны Гинье - Престона с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющей решетку растворителя; кристаллы метастабильной фазы с иной решеткой, чем твердый раствор; стабильной фазы сложной пространственной решетки). Степень упрочнения при старении может быть очень высокой (в дюралюминах временное сопротивление увеличивается в 2 раза, в бериллиевых бронзах в 3 раза). Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры, называют стабилизацией.

Эвтекдоидное превращение происходит в большинстве сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана. Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов этой группы одинаковы. Для сталей: превращения при нагреве до аустенитного состояния - фазовая перекристаллизация; превращения аустенита при различных степенях переохлаждения; превращения при нагреве закаленных сталей. Основные типы термической обработки сталей:

отжиг сталей (перекристаллизационный конструкционных сталей; скорость охлаждения 100 - 200 град/час) ;

нормализация сталей (отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 - 70 градусов выше Ас₃сталь охлаждают на спокойном воздухе);

закалка сталей - получение структуры наивысшей твердости ( мартенсит : мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при котором атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомных; растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы; когерентные - соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток; имеет тетрагональную решетку; высокая твердость НРС 60 при содержании углерода больше 0,4%).

обработка холодом подвергают закаленные легированные стали, для которых температура конца мартенситного превращения значительно ниже 20 - 25 градусов и остается остаточный аустенит, который понижает твердость закаленной стали; температуры от -40 до 196 (температура жидкого азота); измерительные инструменты, детали подшипников качения, цементированные детали из легированных сталей.

отпуск закаленных сталей - нагрев до температур А₁, происходит распад мартенсита, выделение части углерода; распад остаточного аустенита и карбидное превращение, образуется ферритно-карбидная смесь.(низкий отпуск 120-150; средний 350-450; высокий 500-680); продолжительность от 2 до 15 часов.

Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами. Применяют для повышения твердости, износостойкости, защиты от коррозии. Различают три стадии процесса химико-термической обработки:

химические реакции в исходной среде (окружающей), в результате которой образуются активные диффундирующие элементы;

эти элементы адсорбируются насыщаемой поверхностью, концентрируются в поверхностном слое, возникает градиент концентрации;

диффузионное проникновение элемента вглубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Наиболее распространенные в промышленности операции:

цементация стали - процесс диффузионного насыщения углеродом. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску , увеличивается твердость на поверхности при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, кулачки, распределительные валы). Применяют твердые карбюризаторы (древесный уголь) и газовую среду (метан);

азотирование стали - процесс насыщения азотом, для повышения износостойкости и предела выносливости (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки). До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению), источник азота - аммиак, длительность процесса до 50 часов при температуре 500 - 600 0 . Для активации применяют ионное азотирование и цементацию в плазме тлеющего разряда, время сокращается в 2 - 3 раза, стальной контейнер - анод, деталь - катод, напряжение до 800В, ионы азота поглощаются поверхностью детали, затем диффузия идет вглубь;

диффузионное насыщение металлами и неметаллами - жаростойкие покрытия, сопротивление агрессивным средам; алитирование (покрытие алюминием), хромирование и силицирование (насыщение кремнием); подвергают сплавы на железной, никелевой основе.

Деформация и разрушение металлов - виды и описание процессов с примерами

Наиболее эффективные технологические процессы обработки металлов и сплавов происходят при их пластическом формоизменении в горячем или холодном состояниях. Для этого необходимо создать внешние силы, под действием которых происходит деформация металла.

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Прикладываемые к кристаллу/кристаллам внешние силы вызывают упругую и – далее - пластическую деформацию. В последнем случае потребуется нагрузить кристалл таким усилием, чтобы происходящие внутри него изменения приобрели необратимый характер. Для каждого металла момент перехода упругих деформаций в пластические строго индивидуален, и определяется соотношением значений предела временного сопротивления к пределу пластичности/текучести.

Физическая природа деформации металлов

Этот процесс включает в себя упругую и остаточную стадии. Возникающие при этом деформации подразделяются на три группы:

Упругие, т.е., такие, которые полностью исчезают при снятии приложенных внешних сил. Тело при этом приобретает свои первоначальные размеры. Изучением упругих деформаций занимаются теория упругости и сопротивление материалов. Связь между напряжениями и деформациями в этом случае линейна и подчиняется закону Гука.

Упругопластические, которые возникают тогда, когда упругая и пластическая (остаточная) составляющие соизмеримы между собой. Изучение упругопластических деформаций имеет значение для всесторонней оценки запаса прочности металла, поскольку в практике металлообработки такой вид деформации не используется.

Пластические/конечные, при которых упругие изменения формы незначительны, и ими можно пренебречь. Здесь зависимость напряжений и деформаций не носит линейного характера, и зависит от множества факторов.

Любой реальный металл представляет собой совокупность анизотропных кристаллов, ориентация которых произвольна. Поэтому предполагается, что во всех направлениях имеется приблизительно одинаковое количество одинаково ориентированных зёрен. Именно поэтому свойства металла во всех направлениях одинаковы и определяются некоторыми средними значениями. Квазиизотропность металлов облегчает изучение физических основ их деформирования.

Основой для любого изменения формы металла является наличие дефектов в его структуре, прежде всего – дислокаций. С помощью теории дислокаций объясняются механизмы разрушения металла, его кристаллизация, упрочнение/разупрочнение и пр. Ключевым положением теории дислокации является то, что любое изменение формы представляет собой результат перемещения и размножения дефектов в кристаллической решётке. При этом механизм деформации рассматривается на уровне отдельных атомов. Такое представление позволяет анализировать многие физические явления, происходящие в деформируемом теле под нагрузками, при повышенных температурах и т.д.

Упругая деформация

Как уже указывалось, такой вид деформации представляет собой изменение формы материала во времени, которая самопроизвольно снимается после снятия силы или внешней нагрузки. Форма материала изменяется при приложении силы в пределах предела упругости металла, иначе называемого модулем Юнга. Это физическое свойство гарантирует, что эластичные материалы возвращают свои первоначальные размеры после снятия приложенной нагрузки. Здесь деформация обратимая и непостоянная. Упругая деформация металлов обычно наблюдается при малых формоизменениях; их упругое поведение, как правило, линейно.

Упругая деформация включает временное растяжение или искривление связей между атомами кристаллической решётки. Например, при изгибе стального листа все имеющиеся в металле дислокации и связи изгибаются (либо растягиваются) только на несколько процентов, но относительного перемещения атомов при этом не наблюдается. Такая деформация может быть вызвана приложением внешних сил сдвига, которые вызывают соответствующие напряжения растяжения/сжатия.

Наличие упругой деформации материала позволяет всем связям восстанавливаться после напряжения. Но со временем эти свойства ухудшаются, а в некоторых условиях металл может стать хрупким и потерять пластичность. Примером могут служить изменения, которые происходят в олове. При резких температурных колебаниях этот металл становится менее пластичным (известны аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот, которые в Средние Века именовали оловянной чумой). Часто изменения вызываются воздействиями определённых химикатов, снижающих эластические характеристики металлов.

Эластичность (пружинистость) стали повышается при увеличении процентного содержания углерода в ней. Не случайно для производства автомобильных рессор принимают специальные марки сталей, количество углерода в которых не должно быть менее 0,62…0,70 % (ГОСТ 14959-2016). Упругость таким сталям придаёт также повышенный процент марганца и кремния.

Пластическая деформация

Теория дислокаций утверждает, что с приложением нагрузки к реальным кристаллам металла смещение одной части кристалла относительно другой происходит не одновременно по всей площади скольжения. Начинается оно в точке дефекта кристалла и распространяется при значительно меньшем внешнем усилии, чем при одновременном скольжении целого блока атомов. Значительное расхождение между теоретическими и фактическими значениями напряжений (например, для меди оно составляет 1540 МПа и 1 МПа, для железа – 2300 МПа и 29 МПа) объясняется наличием в стали структурных дефектов, около которых сдвиг вначале локализуется, а затем распространяется вместе с самим дефектом с некоторой скоростью.

Дислокации располагаются в наиболее плотноупакованных плоскостях кристаллической решётки. При возрастании нагрузки первыми начинают двигаться дислокации той плоскости скольжения, в которых касательные напряжения максимальны. Для начала пластического течения необходимо, чтобы касательное напряжение превышало критическое значение, величина которого зависит от исходной структуры деформируемого металла. Данное обстоятельство предопределяет необходимость учёта истории деформирования материала, что позволяет определять количественные и качественные параметры процесса пластической деформации.

Виды пластической деформации металлов определяются характером перемещения кристаллов во время приложения усилия. Такое перемещение может происходить скольжением и двойникованием.

Скольжение

Скольжение является основным видом пластической деформации идеального кристалла. Обычно в качестве плоскостей скольжения выступают плоскости с наибольшей плотностью расположения атомов, а направлениями скольжения являются направления, по которым межатомные расстояния имеют минимальное значение.

В гексагональной решётке можно провести только одну плоскость, в которой расположено наибольшее число атомов – это плоскость основания. В решётках кубической формы таких плоскостей больше. Поэтому при прочих равных условиях металлы с гексагональной решёткой менее пластичны, чем металлы с кубической решёткой.

Пластическое деформирование начинается, прежде всего, в тех плоскостях скольжения, и по тем направлениям, которые расположены под оптимальным углом по отношению к внешней силе. Так, при сжатии и растяжении пластическая деформация возникает в первую очередь в плоскостях, расположенных под углом 45 0 к линии действия внешней силы.

Скольжение является сдвиговым деформационным процессом. Известно, что если отполированный образец из моно- или поликристалла подвергнуть нагружению, то при определённой нагрузке на поверхности образца появляются сетки линий скольжения, называемые линиями Чернова-Людерса. Эти линии качественно характеризуют сдвиг одних частей образца относительно других.

Двойникование

В некоторых металлах – магнии, цинке, золоте, железе – наряду со скольжением наблюдается двойникование. При двойниковании происходит поворот деформированной части кристалла в положение, зеркальное по отношению к деформированному. Однако и в этом случае происходит сдвиг атомов в новые положения устойчивого равновесия на расстояния, которые пропорциональны основному параметру решётки.

Двойникование часто возникает при ударном деформировании и распространено для металлов и сплавов, кристаллизация которых происходила с образованием кристаллитов в форме многогранников.

Как происходит разрушение металлов

Процесс разрушения металлов адекватно описывается методами специальной механики разрушения. Исходное положение теории заключается в том, что разрушение элементов конструкций связано с возникновением и развитием трещин, которые проявились:

В процессе изготовления деталей (сварка, шлифовка, закалка);

В период их эксплуатации вследствие превышения допустимых нагрузок;

Как следствие коррозионных явлений.

Механика разрушения учитывает влияние дефектных участков при анализе напряжённого состояния конструктивных элементов и при определении реальных характеристик материала во время испытаний. Такие испытания должны проводиться с образцами, в которых имеются искусственно наведенные трещины.

В результате испытаний устанавливаются количественные связи между номинальными напряжениями, формой и размерами дефекта, с одной стороны, и сопротивлением материала в условиях стабильного и нестабильного варианта развития трещины – с другой. Именно в этом заключается принципиальная основа использования методов механики разрушения при выборе материала, определения размера и установления срока службы деталей машин и элементов металлоконструкций.

Установлено, что при оценке вероятности и времени разрушения металла следует рассматривать изотропную пластину бесконечной длины и конечной толщины, внутри которой имеется трещина. Критерием развития трещины принимают параметр интенсивности поля напряжений в зоне одного из концов трещины (критерий Ирвина), при этом радиусные переходы между участками равны 0. Раскрытие трещины (после чего и наступает разрушение) происходит при максимальном уровне растягивающих напряжений у её краёв.

19(8). Деформация и разрушение металла. Упругая и пластическая деформация. Механизм пластической деформации. Наклёп

При приложении к твердому телу усилий происходит его деформация – изменение формы, обусловленное отклонением атомов от равновесного положения.

Если напряжения невелики, то деформация носит упругий характер. В этой области выполняется закон Гука – абсолютная деформация Δl прямо пропорциональна приложенному усилию Р – рис. 19.1. Сопротивляемость упругой деформации, т. е. жесткость материала при растяжении характеризует модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, прямо пропорциональный tg (Е = (l₀/F₀)tg – см. п. 8). Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомных связей в кристаллической решетке, например, для сталей он составляет 170…206 ГПа, для чугунов – 113…150 ГПа, титана – 116 ГПа, алюминия – 63…70 ГПа.

Рис. 19.1. Схема деформирования металла при растяжении: участки упругой (а) и пластической (б) деформации, × – разрушение

При упругой деформации после снятия нагрузки атомы возвращаются в исходное положение и тело восстанавливает исходную форму и размеры.

Если при внешнем нагружении напряжения достигают критической величины, то деформация становится пластической вследствие интенсивного размножения и движения дислокаций. После снятия нагрузки тело не восстанавливает свою форму и размеры.

Механизм пластической деформации проще всего рассмотреть на примере деформации монокристалла. Пластическая деформация осуществляется путем сдвига одной части монокристалла относительно другой. Сдвиг атомных плоскостей вызывают внешние касательные напряжения τ, когда их значение превышает критическое τ_к. Различают две разновидности сдвига – скольжение и двойникование. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, называемой плоскостью скольжения или сдвига (рис. 19.2). Скольжение существенно облегчается за счет присутствия дислокаций, которые в большом количестве имеются в реальных металлах.

Рис. 19.2. Схема скольжения за счет движения краевой дислокации

Скольжение – основной вид сдвига в металлах и сплавах. Деформация двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части – рис. 19.3. Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью двойникования.

Рис. 19.3. Схема образования двойника (I–I – плоскость двойникования)

По сравнению со скольжением, двойникование в металлах с ОЦК и ГЦК решетками имеет второстепенное значение. Роль двойникования возрастает, когда скольжение затруднено. У менее пластичных металлов с ГПУ решеткой деформация обычно развивается как скольжением, так и двойникованием.

По мере развития пластической деформации металл наклёпывается. Под наклёпом понимают совокупность изменений структуры и связанных с ними изменений свойств, вызванных пластической деформацией металла 25 .

При достаточно большой степени деформации все зерна становятся напряженными; равноосные до деформации зерна поликристаллических металлов вытягиваются, образуя волокнистую структуру – рис. 19.4. Количество дефектов кристалллической решетки и, прежде всего, дислокаций возрастает на несколько порядков (см. рис. 18.3). Внутри зерен за счет роста числа дислокаций происходит интенсивное образование малоугловых границ и увеличение углов разориентировки субзерен, что приводит к развитию блочной структуры.

Рис. 19.4. Изменение формы зерен в результате деформации: а – до деформации; б – после деформации

При большой степени деформации возникает преимущественная ориентация решеток зерен – текстура деформации, проявляющаяся в анизотропии свойств деформированных поликристаллических металлов и сплавов.

С увеличением степени деформации увеличиваются твердость, предел текучести, электросопротивление, коэрцитивная сила и др.; уменьшаются пластичность, вязкость, коррозионная стойкость, магнитная проницаемость и др.

При дальнейшем увеличении приложенных напряжений процесс деформации заканчивается разрушением, которое может быть вязким или хрупким. Вязкое разрушение происходит после значительной пластической деформации; сопровождается поглощением большого количества энергии; проходит по телу зерен; имеет волокнистый, матовый излом. Хрупкое разрушение имеет малую энергоемкость; деформация мала и носит в основном упругий характер; излом светлый, грубокристаллический.

Деформация металла: виды, описание процессов

Деформация металла происходит под воздействием силы, прилагаемой человеком или им же, но при помощи станка. Она может быть направлена снаружи и изнутри. В результате происходит сжатие металла, его растяжение, изгиб или кручение.

Процессы деформирования металла изучаются в таких областях науки, как кристаллография, материаловедение, физика твердого тела. Специалисты анализируют причины деформации и предлагают варианты по их исключению во время рабочего процесса. Это позволяет избежать большого количества брака.

Упругая и пластическая деформация металлов

Деформация металла бывает нескольких видов и зависит от того, как реагирует металл на приложенное к нему усилие.

Расстояние между атомами может увеличиваться под действием сил растяжения или уменьшатся, когда на металл влияют силы сжатия. В каждом из этих случаев атомы выходят из состояния равновесия, следовательно, изменяется баланс сил притяжения и электростатического отталкивания.

Однако после того, как нагрузка снимается, все процессы либо приходят в норму и кристаллы возвращаются к своим начальным параметрам и форме, либо так и остаются в измененном состоянии.

Вид деформации, исчезающей после устранения нагрузки, называется упругой. В результате такой нагрузки атомы смещаются незначительно, что не приводит к изменению свойств и структуры металла.

Если следы внешнего воздействия остаются и процесс деформации металла носит необратимый характер, речь идет о пластической деформации.

Причиной деформации металла может стать даже незначительное напряжение. При этом в начале воздействия и до определенных значений прилагаемых усилий деформации всегда бывают упругими. Прочность, пластичность и упругость – это основные механические свойства металла.

Разнообразие способов изготовления изделий в результате обработки давлением зависит от показателя пластичности. Данные способы основаны на характеристиках пластической деформации.

Такое качество, как повышенная пластичность металлов, определяет их сниженную степень чувствительности к концентраторам напряжения. Следовательно, при использовании разных металлов в производстве необходимо проводить их сравнительный анализ по данному показателю, а также контролировать качество материалов в процессе работы.

Параметры изделия под действием напряжения могут меняться. Это результат воздействия на него сил, прилагаемых извне, приводящих к напряжению или сжатию, а также фазовых преобразований и физико-химических процессов, являющихся следствием изменения объема детали.

Поскольку сила, действующая на металл, может возникать под разным углом, напряжение металла будет характеризоваться как нормальное или касательное. Появившаяся в итоге деформация может оказаться пластической и упругой. Пластическая деформация металлов и сплавов связана с действием касательных напряжений.

Особенности упругой деформации металла

Каждый металл имеет свои пределы упругости. От величины упругости зависит то, насколько сможет изменить форму и свойства детали прилагаемая сила. Процессы деформации металлов проходят по-разному.

Для того чтобы охарактеризовать способность металла противостоять растяжению и сжатию, используется специальный показатель, который называется модулем Юнга, или модулем продольной упругости.

Металлы с высоким модулем продольной упругости относятся к категории эластичных. Они способны вернуться в свое исходное состояние после того, как напряжение исчезнет. Возникшая нагрузка вызывает лишь незначительное и обратимое смещение атомов или поворотов блоков кристалла.

Таким образом, упругая деформация не приводит к заметным изменениям в структуре эластичного металла.

Например, рассматривая процесс изгиба стального листа, можно следующим образом описать механизм деформации металла: изначально существующие связи сжимаются и растягиваются, но процент возникших изменений не приведет к относительному перемещению атомов. Упругая деформация обеспечит восстановление связей между ними после того, как напряжение будет устранено. Однако результат воздействия напряжения может проявиться спустя некоторое время.

Свойства эластичных металлов могут быть изменены или утрачены при возникновении определенных условий. Пластичность материала уменьшится, он станет хрупким и уязвимыми. Так, при резких перепадах температур свои пластические свойства теряет олово.

Встречаются случаи аллотропических превращений, когда белое β-олово переходит в состояние серого α-олова и материал рассыпается. Изменения также могут произойти в результате контакта с металлом определенных химикатов, воздействие которых также негативно сказывается на свойствах упругости.

Повысить уровень эластичности можно за счет увеличения количества углерода. Например, для того чтобы обеспечить необходимые характеристики автомобильных рессор, для их изготовления используют специальные марки стали, соответствующие ГОСТ 14959-2016, содержание углерода в которых 0,62–0,70 %. Если необходима сталь с более высокой упругостью, выбирают марки с повышенным содержанием марганца и кремния.

Виды пластической деформации металла

В соответствии с теорией дислокации приложенная к кристаллам нагрузка приводит к тому, что смешение их частей относительно друг друга фиксируется не по всей площади скольжения. Оно возникает в месте дефекта кристалла и продвигается при меньшем усилии, приложенном извне, чем при единовременном скользящем движении целого блока атомов.

Теоретические и фактические значения напряжений часто не совпадают. Разница между ними может быть очень существенной. Для меди она составляет от 1540 МПа до 1 МПа, а для железа от 2300 МПа до 29 МПа. В качестве причины такого расхождения можно назвать имеющиеся в материале структурные дефекты, вблизи которых происходит первоначальная локализация сдвига. Впоследствии появившийся сдвиг начинает распространяться и двигается совместно с дефектом.

Плотноупакованные плоскости кристаллической решетки чаще всего становятся местами появления дислокаций. Усиление нагрузки приводит к тому, что в движение приходят дислокации плоскости скольжения с максимальными касательными напряжениями.

Пластическое течение начинается при определенном условии: касательное напряжение должно быть выше уровня критического значения, величина которого определяется первоначальной структурой деформируемого металла. Определить количественные и качественные параметры процесса пластической деформации металла можно, зафиксировав учет историй его деформирования.

Определить вид пластической деформации металлов можно исходя из того, каким образом двигаются кристаллы под воздействием приложенных усилий. Их движение может носить характер скольжения и двойникования.

Процесс скольжения

Данный вид пластической деформации идеального кристалла можно рассматривать как основной. Скольжение происходит в тех плоскостях, где присутствует самая высокая плотность расположения атомов. Движение направлено туда, где расстояния между атомами самые близкие.

Количество плоскостей может быть разным. Так, в гексагональной решетке такая плоскость представлена в единственном числе. Она располагается в основании, где присутствует максимальное количество атомов. Металлы, имеющие такую решетку, не отличаются высокой степенью пластичности.

Несколько плоскостей можно насчитать в решетках кубической формы. Это обстоятельство положительно сказывается на пластичности материалов с таким строением.

Процесс пластической деформации металлов зарождается в конкретных плоскостях скольжения. Внешняя сила здесь должна быть направлена в определенное место и под определенным углом. Для того чтобы произошла пластическая деформация металлов и сплавов в результате растяжения или сжатия, плоскость должна располагаться по отношению к линии воздействия внешней силы под углом 45°.

Скольжение представляет собой сдвиговый деформационный процесс. Это можно подтвердить следующим экспериментом: нагрузить отполированный образец из моно- или поликристалла.

После достижения определенного уровня нагрузки на поверхности металла возникает сетка из линий скольжения, которые называют линиями Чернова – Людерса. Именно они позволят увидеть произошедший сдвиг между различными частями образца.

Процесс двойникования

Этот процесс представляет собой сдвиг некоторых областей кристалла в положение, соответствующее зеркальному отражению областей, оставшихся в прежнем виде. Возникающая в результате деформация металла может расцениваться как незначительная.

Разные механизмы двойникования могут способствовать появлению образований, которые:

представляют собой зеркальную переориентацию структуры материнского кристалла в определенной плоскости;
появляются вследствие поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Данный вид пластической деформации характерен для кристаллов, которые имеют:

гексагональную решетку (магний, кадмий, титан, цинк);
объемно-центрированную решетку (железо, молибден, ванадий, вольфрам).

Расположенность к двойникованию возрастает параллельно с увеличением темпов деформации и снижением температур.

Такие металлы, как медь и алюминий, имеют гранецентрированную решетку, и двойникование в этом случае может быть следствием отжига заготовки, приведшего к ее пластическому деформированию.

Виды холодной деформации металла

Холодная деформация позволяет сохранить деформированную структуру материала, подвергшегося обработке давлением. Не утрачиваются при этом и последствия наклепа, то есть упрочнения металла при пластической деформации.

К основным способам холодной деформации металлов можно отнести:

холодную прокатку;
волочение;
холодную листовую штамповку.

Эти способы холодной пластической деформации металлов относятся к категории энергетически затратных и сопровождаются высокой степенью износа рабочих инструментов, поэтому в чистом виде используются нечасто.

В процессе холодной деформации ухудшаются пластические свойства металлов, а их твердость при этом возрастает. Процесс изменения физических и механических свойств происходит из-за глубоких структурных преобразований. Твердый деформированный металл становится хрупким. Возрастает уровень его предрасположенности к коррозии, уменьшается электропроводность, повышается растворимость в кислотах и т. д.

Упрочнение металла при холодной деформации может стать следствием характерного для этого процесса явления, которое называется «наклеп». Возникает он самопроизвольно и всегда прямо пропорционален степени холодной деформации: чем она выше, тем больше наклеп. Но его устойчивость может быть обеспечена только при низких температурах.

Стадии разрушения металла в процессе деформации

Высокие напряжения усиливают процесс деформации и способствуют разрушению металлов, основной причиной которых являются трещины. После того как трещина зарождается, она начинает распространяться через сечения и в итоге происходит окончательное разрушение материала.

Зарождаются трещины в результате сосредоточения находящихся в движении дислокаций перед каким-либо препятствием, из-за чего напряжение достигает уровня, достаточного для того, чтобы металл начал трескаться. После того как размер трещины становится критическим, ее дальнейший рост происходит произвольно.

Острая и разветвленная трещина характерна для хрупкого разрушения. Она разрастается с огромной скоростью, и процесс протекает практически моментально. Хрупкое разрушение характеризуется очень маленькой энергоемкостью, при этом работа процесса распространения трещины почти нулевая.

Также трещины могут образоваться из-за транскристаллитного и хрупкого интеркристаллитного разрушения. В первом случае они распространяются по телу зерна, а во втором – по границам зерен.

В результате хрупкого разрушения образуется блестящий кристаллический излом с ручьистым строением, плоскость которого перпендикулярна нормальным напряжениям. Образовавшаяся трещина распространяется по нескольким параллельно расположенным плоскостям.

Вязкое разрушение возникает в результате среза, произошедшего под действием касательных напряжений, которому предшествует существенная пластическая деформация.

Тупая раскрывающаяся трещина характеризуется большой величиной пластической зоны, расположенной перед ней. Распространяется она медленно и имеет высокие показатели энергоемкости. Это связано с затратами энергии, необходимыми для образования поверхностей раздела. Поверхность излома неровная, матовая. Его плоскость расположена под определенным углом.

Чтобы определить степень пластичности металла, следует сопоставить пределы его прочности и текучести. Чем больше разница между ними, тем выше пластичность. У хрупких металлов эти показатели практически равны, а значит, процесс их разрушения почти не связан с пластической деформацией.

Совпадение пределов текучести и прочности может произойти и в случае нагрева металлов до высоких температурных значений.

Понимать причины и механизмы деформации и разрушения металлов крайне важно, ведь от этого зависит безопасность возводимых конструкций и надежность работы механизмов. Поэтому данный вопрос должен быть объектом постоянного изучения, в результате чего можно будет предупреждать возможные ошибки и просчеты, экспериментальным путем находить наилучшие варианты решений поставленных задач.

Для улучшения качества и увеличения скорости работ, вы всегда можете воcпользоваться нашими верстаками собственного производства от компании VTM

Читайте также: