При пластической деформации металла плотность дислокаций
Как влияет степень чистоты металла и наличие примесей в сплаве на протекание процесса кристаллизации?
Самопроизвольное зарождение кристаллов в металле очень затруднительно. Обычно источником образования зародышей являются твердые частицы, которые всегда присутствуют в жидком металле. Атомы жидкого металла послойно адсорбируются на поверхности частиц примесей. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно.
Использование примесей для получения мелкого зерна называется модифицированием. При модифицировании в расплавленный металл вводят небольшое количество специальных веществ (модификаторов), которые, практически не изменяя состав металла, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и улучшение механических свойств.
Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. Так, например, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается с 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм. При литье слитков в фасонных отливках модифицирование чаще проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, оксиды), кристаллизирующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами образующихся при затвердевании кристаллов (модификаторы I рода). В качестве модификаторов при модифицировании алюминиевых сплавов применяют Ti, V, Zr; стали – Al, V, Ti. Иногда используют растворимые в жидком металле модификаторы (модификаторы II рода), избирательно адсорбирующиеся на кристаллическом зародыше, которые снижают межфазовое поверхностное натяжение и затрудняют рост кристаллитов. Для алюминиевых сплавов в качестве модификаторов второго рода используют Li, Na, K, для стали – редкоземельные элементы.
Для измельчения структуры эвтектики и устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05-0,08%) путем присадки к расплаву смеси солей 67% NaF и 33% NaCl. В присутствии натрия происходит смещение линий диаграммы состояния и заэвтектический (эвтектический) сплав АЛ2 (11-13% Si) становится доэвтектическим. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы α-твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия Na2Si, которая затрудняет их рост. Такие изменения структуры улучшают механические свойства.
Рисунок 1 – Диаграмма состояния Al-Si
Рисунок 2 – Механические свойства сплава Al-Si (1 – после модифицирования; 2 – до модифицирования)
Как и почему изменяется плотность дислокаций при пластической деформации? Влияние дислокаций на свойства металла.
Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движении отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольше значение имеет увеличение плотности дислокаций, т. к. возникающие при этом между ними взаимодействия тормозит дальнейшее их перемещение.
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3:
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10 5…10 7 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2.
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 1)
Рисунок 1 – Влияние плотности дислокаций на прочность
Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ = 10 5…10 7 м2.
Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической: для железа σВ = 13000 МПа, для меди σВ =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10 15…10 16 м –2. В противном случае образуются трещины.
Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.
Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 4,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
а) б)
Рисунок 2: а – диаграмма железо-цементит,
б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 4,5% углерода
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 4,5 %С, называется заэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – цементит (первичный) + ледебурит (перлит + цементит).
Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали и нанесите на нее кривую режима изотермического отжига. Опишите превращения и получаемую после такой обработки структуру, ее свойства.
При изотермическом отжиге эвтектоидную сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 (Ас1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 650-680°С.
В результате изотермического отжига стали У8 получаем твердость НВ = 150 (рисунок 3). Структура после отжига – крупнопластинчатый перлит.
Рисунок 3 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8
Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах Ar1 = 500ºC. В процессе превращения происходит полиморфное y->a -превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры: А->Ф + Fe3C = Перлит.
Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита и цементита, содержащего 6,67%С, т.е. состоит из двух фаз, имеющих различную концентрацию углерода. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита.
В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное y->a-превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.
Последующий рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие y->a-превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся кристалликов (пластинок) феррита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию.
Используя диаграмму железо-цементит, определите температуру полной и неполной закалки для стали 40. Дайте описание структуры и свойств стали после каждого вида термической обработки.
Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.
Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3 (неполная закалка), то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита (точка 2). Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760°С (ниже точки Ас3) структура стали 40 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.
Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под полную закалку, таким образом, составляет 820-840°С (точка 1). Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.
Лекция 7. Тема № 4. «Основы пластической деформации
Деформация скольжением, двойникованием. Другие виды деформации: складкообразование, сброс, вторичное скольжение. Пластическая деформация монокристаллов с ГЦК, ГПУ и ОЦК решетками. Три стадии упрочнения: стадия легкого скольжения, линейного упрочнения и параболического упрочнения. Деформационное упрочнение поликристаллов. Влияние скорости деформации, легирования на процесс деформации. Особенности деформации углеродных и легированных сталей.
При увеличении степени пластической деформации металла или сплава с любым типом кристаллической решетки плотность дислокаций непрерывно увеличивается, – увеличивается и прочность металлов и сплавов. Если в исходном недеформированном металле или сплаве плотность дислокаций составляет 10 -10 см -2 , то после больших степеней деформации она достигает 10 -10 см -2 .
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ С ГЦК, ГПУ И ОЦК РЕШЕТКАМИ
Рассмотрим упрочнение ГЦК монокристаллов на примере типичной кривой напряжение – деформация. На этой кривой четко выражены три стадии деформации.
Начальный участок кривой, характеризующийся более высоким ростом напряжений, связан с упругой деформаций (рисунок 35).
| Рисунок 35 – Кривая напряжение – деформация для монокристалла с ОЦК решеткой |
Стадия I – легкого скольжения – характеризуется малым упрочнением. Деформация развивается при небольшом возрастании приложенного напряжения, так как длина свободного пробега дислокаций велика. На поверхности появляются тонкие параллельные линии, находящиеся на расстоянии (2-3)·10 -4 см друг от друга. Величина сдвига в каждом слое скольжения находится в интервале (0,3-0,5)·10 -4 см. Следы скольжения называются линиями Чернова - Людерса. Легкое скольжение осуществляется сначала движением имеющихся дислокаций, а затем дислокаций, генерируемых источниками Франка-Рида в одной благоприятно ориентированной системе скольжения. Движущиеся дислокации выходят на поверхность кристалла. 0днако часть дислокаций может задержаться в кристалле, если они встретят на своем пути препятствие. Такими препятствиями могут быть дислокационные диполи, состоящие из положительных и отрицательных краевых участков, и которые тормозят движущуюся дислокацию.
Существование первой стадии упрочнения установлено на кристаллах алюминия, меди, серебра и никеля. Однако при аналогичных условиях испытания протяженность первой стадии для этих металлов неодинакова. Так, например, первая стадия для кристаллов алюминия продолжается до 4-5%, тогда как для меди деформация может превышать 20%. Этоможно объяснить большей прочностью межатомной связи у меди, чем у алюминия. Это и определяет коэффициент упрочнения Q1- на стадии легкого скольжения. Средняя плотность дислокаций на этой стадии составляет 10 8 cм -2 .
Легкое скольжение заканчивается, когда плотность дислокаций на первичной системе скольжения становится критической.
Стадия II – линейного упрочнения, характеризуется коэффициентом упрочнения Q2примерно в 10 раз большим, чем Q1. На этой стадии активизируются источники дислокаций во второй системе скольжения и происходит скольжение в пересекающихся плоскостях и множественное скольжение (рис.36, 37)
Рисунок 36 – Скольжение в пересекающихся плоскостях в никеле
Рисунок 37 – Множественное скольжение в алюминии
Множественное скольжение в пересекающихся плоскостях приводит к взаимодействию дислокаций, их пересечению, появлению сидячих дислокаций Ломер-Котрелла (рис.38 а, б)
Рисунок 38 – Образование барьеров Ломер – Коттрелла. а) – схема микро структуры; б) – фотография микроструктуры
На дислокациях появляются пороги, тормозящие их движение. Дислокации скапливаются, образуют клубки, в которых они распределены хаотически. Такие дислокации называют дислокациями «леса».
Дислокационные клубки преобразуются в устойчивые регулярные сетки. Эти сетки представляют собой стенки ячеек, в которых плотность дислокаций высока (около 10 см -2 ). Они разбивают кристалл на участки, сравнительно свободные от дислокаций. Такая дислокационная структура называется ячеистой.
Впроцессе развития второй стадии упрочнения плотность дислокаций постепенно увеличивается, чем их больше, тем выше степень разориентировки ячеек. Угол разориентировки составляет 2–3º, а при больших степенях деформации может доходить до 5–10º. Таким образом, причина упрочнения металла на этой стадии заключается в резком увеличении плотности дислокаций и появлении ячеистой структуры, стенки которой являются препятствием на пути движения дислокаций.
Стадия третья – параболического упрочнения. Характер ячеистой структуры на третьей стадии не изменяется. Происходит увеличение ширины ячеек за счет повышения в них количества дислокаций. Кривая на рисунке 35 становится положе, значит интенсивность упрочнения уменьшается.
На третьей стадии скольжения возникают новые полосы скольжения ступенчатого характера, свидетельствующие о развитии поперечного скольжения винтовых дислокаций. Снижение интенсивности упрочнения, обусловленное перераспределением дислокаций под влиянием высоких напряжений называется «смягчением при наклепе». Случай упрочнения металла с ГЦК решеткой, описываемый кривой на рисунке 35, наблюдается при благоприятной для возникновения легкого скольжения ориентировке. Если кристалл с ГЦК решеткой ориентирован произвольно, в нем сразу начинается множественное скольжение и наступает быстрое упрочнение.
Рассмотренные ранее особенности пластической деформации кристаллов с ГЦК решеткой в равной степени справедливы и для гексагональных кристаллов. Однако для гексагональных кристаллов характерна более выраженная анизотропия. При обычных условиях испытаний наблюдается базисное скольжение (плоскость кристаллографическое, направление ). При наличии точечных дефектов может начаться призматическое или пирамидальное скольжение. Если имеется только базисное скольжение, то пластическая деформация протекает, как 1-я стадия для ГЦК кристаллов. Если же вступают вторичные системы скольжения – это соответствует 2-й стадии упрочнения (рис. 39)
Дислокации и упругопластическое деформирование
Дислокации в кристаллах, представляющие собой один из наиболее важных типов дефектов, тесно связаны с механическим поведением твердых кристаллических тел и играют важную роль в понимании процессов деформирования и разрушения твердых тел.
Во-первых, существование физических дислокаций в кристаллах дает возможность понять, как может начинаться разрушение и каким образом идет процесс пластической релаксации при наличии в теле трещин и микродефектов различной природы.
Во-вторых, понятие дислокации позволяет описать пластическое деформирование рассматриваемой среды и дать математическое представление для формирующихся в ней трещин.
С макроскопической точки зрения пластические деформации можно обнаружить по изменению размеров тела после снятия нагрузки, а также по наличию линий скольжения на поверхности монокристалла. Тип, форма и величина деформаций зависят от геометрии тела, температуры и скорости деформаций. Будет ли тело иметь пластические деформации или нет, зависит от напряжений и свойств материала, а также от возможных ограничений движения, налагаемых нагрузкой и поверхностью тела.
Среда может деформироваться однородно и неоднородно, что сказывается на распределении напряжений, тогда как поле напряжений определяется геометрией тела и способом приложения нагрузки.
В поликристаллической среде неоднородные пластические деформации также проявляются в виде линий скольжения, которые видны на поверхности тела и располагаются в плоскостях наибольших касательных напряжений. В процессе деформирования локализованные области пластических деформаций увеличиваются, образуя новые области, пока тело полностью не перейдет в пластическое состояние.
С микроскопической точки зрения пластическое деформирование характеризуется возникновением деформаций и разрушением зерен, скольжением по кристаллографическим плоскостям, образованием полос скольжения и двойникованием.
Скольжениеявляется наиболее часто встречающимся типом деформирования (рис.1.14а). Итак, скольжением, или трансляцией, называется смещение одной части кристалла относительно другой по кристаллографическим плоскостям, определенным образом ориентированным в кристалле.
Представим, что наряду со скольжением по одной определенной плоскости происходит скольжение с тем же шагом по всем последующим плоскостям. Тогда возникают деформации сдвига, вследствие чего при некотором значении смещения части кристаллической решетки образуется кристаллическая решетка, зеркально симметричная по отношению к исходной решетке. В этом случае говорят о механическом двойниковании (рис.1.14б). Итак, двойникованием называется процесс смещения части решетки кристалла, в результате которого обе ее части ориентируются симметрично относительно некоторой плоскости. Двойник бесконечно малой толщины (δ→0) формально эквивалентен дефекту упаковки кристаллической решетки.
Рис. 1.14. Схемы деформирования кристалла при скольжении (а) и двойниковании (б):
ПС – плоскость скольжения; ПД – плоскость двойникования
Процесс двойникования происходит при определенных критических касательных напряжениях двойникования. Возрастание скорости деформаций или понижение температуры способствует образованию и распространению двойников. По сравнению со скольжением при обычном статическом и квазистатическом нагружении двойникование занимает второстепенное положение: деформации, возникшие вследствие двойникования, всегда меньше деформаций скольжения. Роль двойникования возрастает, если скольжение невозможно или сильно затруднено, например при высокоскоростном деформировании.
Движение дислокации может прекратиться, если на ее пути встретится другой дефект кристалла, так называемый стопор, для прохождения которого требуется много энергии. Это тот механизм, который сообщает прочность несовершенным кристаллам металла. Кристаллы чистого железа совсем «мягкие», но небольшая концентрация атомов примесей может вызвать достаточное количество дефектов, противостоящих движению дислокаций, образованию развитых плоскостей скольжения и интенсивному пластическому течению материала. Поэтому для получения стали к железу при плавке добавляют немного углерода, который при охлаждении образует в решетке множество микроскопических нарушений. Дислокации уже не могут свободно перемещаться, и металл становится более твердым и прочным.
Итак, механические свойства металлов зависят от плотности дислокаций и особенно от их способности к перемещению и размножению (рис.1.15).
Рис. 1.15. Прочность кристалла в зависимости от дефектов решетки
Рассмотрим подробнее дислокационный механизм пластической деформации.
При деформации металла расстояния между атомами под действием внешних сил изменяются по определенным направлениям, линии и плоскости, проходящие через атомы, искривляются, кристаллическая решетка искажается. Так как при этом равнодействующие сил притяжения и отталкивания между атомами уже не равны нулю, то в решетке будут действовать внутренние силы, стремящиеся вернуть атомы в положение равновесия. Зависимость между малыми смещениями атомов и силами взаимодействия с известной степенью приближения можно считать линейной. Суммарно это проявляется в линейной зависимости между смещениями точек тела и внешними силами, выражаемой законом Гука.
При устранении внешних сил атомы вновь занимают свои прежние места в кристаллической решетке, вследствие чего происходит упругое восстановление формы металлического тела. Так объясняется упругая деформация.
Если внешние силы увеличиваются, то возрастают и внутренние. Тогда в зернах металла происходит смещение одной части относительно другой. Исследованиями установлено, что оно происходит по плоскостям и направлениям, вдоль которых атомы располагаются наиболее плотно.
Рассмотрим механизм образования пластической деформации в пределах одного кристалла с совершенной кристаллической решеткой, упрощенная модель которой изображена на рис. 1.16, а.
Рис. 1.16. Схема работы дислокационного механизма пластической деформации
(эстафетное движение к границе зерна под действием τ)
Пусть в такой решетке верхний слой атомов смещается относительно нижнего по плоскости А–А. Если предположить, что в процессе сдвига кристаллическая решетка не искажается, т. е. в частях ее выше и ниже плоскости А–А расстояния между атомами остаются неизменными, то можно прийти к выводу, что все атомы верхнего слоя смещаются относительно нижнего одновременно и на одну и ту же величину.
Пока взаимное смещение u (рис. 1.16б), возрастая, остается меньше половины расстояния между атомами (а/2), силы взаимодействия между ними препятствуют сдвигу. Как только это смещение превысит расстояние а/2, силы взаимодействия начинают способствовать смещению решетки в новое устойчивое положение равновесия. Пластическая деформация произойдет в результате смещения части решетки на расстояния, кратные а (рис. 1.16в). Наименьшая пластическая деформация соответствует смещению на а. В результате таких смещений каждый предыдущий атом занимает место последующего, все атомы оказываются на местах, присущих данной кристаллической решетке. Кристалл сохраняет свои свойства, меняя лишь конфигурацию.
В течение процесса пластической деформации металла в кристаллической решетке его зерен под действием приложенного напряжения перемещаются не только «старые» дислокации, существовавшие в металле до начала деформации. Под действием этого напряжения, которое по мере развития пластической деформации возрастает, в решетке возникает огромное количество новых дислокаций. Новые дислокации, возникнув, включаются в работу механизма пластической деформации.
Генерирование новых дислокаций в процессе пластической деформации происходит непрерывно. Поэтому количество дислокаций на границах зерен, возрастая, достигает критической величины. Вследствие этого на какой-то стадии развития пластической деформации в местах скопления дислокаций на границах зерен возникают зародыши трещин. Зародыши, которые раньше других достигают критических размеров, превращаются в быстро распространяющиеся трещины, что и приводит металл к разрушению.
Знание дислокационной природы и особенностей механизма пластической деформации металла позволяет уяснить важный вопрос о причине более высокой прочности мелкозернистого металла по сравнению с крупнозернистым. Границы соседних зерен препятствуют вытягиванию зерен в процессе деформаций и выход на их границы дислокаций. Чем мельче зерна, тем больше суммарная площадь их границ и тем больше сопротивление пластической деформации. Размером зерна металла можно целенаправленно управлять путем изменения условий кристаллизации или применением термической обработки.
Из изложенного выше следует, что от дислокационной структуры существенно зависят прочностные свойства металла и, что этими свойствами можно управлять, целенаправленно изменяя дислокационную структуру за счет выбора химического состава сплава, режимов его термической обработки или обработки какими-либо другими специальными методами.
Растяжение бездефектного металла происходит в режиме упругой деформации. При этом достигается теоретическая прочность σтеор .
Наиболее интенсивно снижается прочность при наличии в металле концентраторов напряжений. В этом случае металл разрушается во время упругой деформации задолго до начала пластической деформации.
Концентраторами напряжений являются имеющиеся в металле трещины, несплошности и всевозможные включения с острыми краями, а также резкие переходы в детали от одного сечения к другому.
Концентраторы напряжений в местах их расположения увеличивают расчетные напряжения в десятки и даже сотни раз.
При плохом металлургическом качестве, что равноценно уменьшению фактического рабочего сечения детали, действительное напряжение в ее сечении также оказывается выше расчетного. Вследствие этого металл разрушается при более низком уровне прочности.
Металлургическими дефектами являются различные рассеянные в металле неметаллические включения, например FeS, SiO2, Al2O3 и т. д., а также раковины, поры и другие нарушения сплошности. Крупнозернистость также является металлургическим дефектом.
При отсутствии концентраторов напряжений и удовлетворительном металлургическом качестве сплава его прочность должна определяться напряжением, по достижении которого заканчивается чисто упругая деформация и начинается упругопластическая. Но в основе пластической деформации лежит работа дислокационного механизма. При этом прочность окажется тем выше, чем больше плотность дислокаций.
Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла
Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения трёх видов:
1) изменяются форма и размеры зёрен. До деформации металл имеет равноосную структуру. В процессе деформации зёрна вытягиваются вдоль плоскостей скольжения и структура становится волокнистой (рис. 3.7.) Кроме того, при большой степени деформации происходит дробление зёрен;
До деформации После пластической деформации
Рис. 3.7. Схема изменения формы и размеров зёрен при пластической деформации
2) после значительной деформации возникает преимущественная пространственная ориентация зёрен, которая называется текстурой деформации (рис. 3.8). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации [1]. Текстуру не следует отожествлять с волокнистой структурой. Волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии металла;
Рис. 3.8. Схема влияния деформации прокаткой на структуру
поликристаллического металла: зёрна вытягиваются вдоль
направления прокатки и возникает текстура (стрелки соответствуют
одному и тому же кристаллографическому направлению)
3) происходят изменения в субструктуре. Одновременно с изменением формы зерна происходит формирование субзёрен и увеличение угла разориентировки между ними. Возрастает плотность дислокаций до 10 9 …10 12 см –2 .
С увеличением степени холодной деформации прочностные характеристики увеличиваются, а пластичность уменьшается. Это явление называют наклёпом или нагартовкой. Упрочнение металла при пластической деформации объясняется увеличением количества дефектов кристаллического строения. Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение новых дислокаций, в результате чего повышается сопротивление деформации и уменьшается пластичность металла. Металлы с ГЦК решёткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решёткой.
Разрушение металлов
Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.
Разрушение может быть хрупким или вязким. Механизм зарождения трещин одинаков при хрупком и вязком разрушении. Чаще всего микротрещина возникает из-за скопления дислокаций перед препятствием (границы зёрен, всевозможные включения и т.д.).
При своем росте трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации. На создание этой зоны затрачивается дополнительная энергия (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Схема образования трещин
Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой размерами этой зоны. При вязком разрушении размеры этой зоны больше и на её образование затрачивается много энергии. Поэтому скорость распространения трещины небольшая. При хрупком разрушении зона пластической деформации небольшая и скорость распространения трещины достигает 2500 м/с. Поэтому хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.
С точки зрения микроструктуры разрушение может быть транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она происходит по границам зёрен. При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким [2]. Хрупкое и вязкое разрушения имеют различные изломы. После хрупкого разрушения излом кристаллический блестящий. Вязкое разрушение, как было отмечено выше, происходит после значительной пластической деформации, которая искажает форму зерен. Поэтому излом – волокнистый матовый.
Хрупкому разрушению способствуют следующие основные факторы: 1) понижение температуры; 2) повышение скорости деформации; 3) концентраторы напряжений; 4) структурные факторы (размер зерна, выделение хрупких фаз по границам зёрен и т.д.); 5) повышение прочности, как правило, увеличивает склонность к хрупкому разрушению; 6) размеры изделия, чем они больше, тем больше вероятность хрупкого разрушения.
Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью. Интервал температур, в котором происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому, называют порогом хладноломкости.
Для определения порога хладноломкости проводят сериальные испытания на ударную вязкость. Температура, при которой работают изделия из металлов, должна значительно превышать порог хладноломкости.
Читайте также: