Тема 3 Пластична деформація та руйнування металів

Пластичною деформацією називають зміну розмірів та форми тіла під дією прикладених сил, та збереження цих змін після припинення дії сил.

Під час пластичної деформації відбуваються процеси ковзання чи двійникування. Спочатку виникають пружні викривлення кристалічної решітки, а при збільшені напруження - зсув однієї частини кристала відносно іншої.

Площинами ковзання є площини з найбільш щільною упаковкою атомів. В процесі ковзання переміщується не вся частина кристала одночасно, а відбувається переміщення дислокацій вздовж площини ковзання на відстані менші ніж відстань між атомами.

Двійникування - це теж зсув площин в певному напрямку. однак він відбувається таким чином, що одна частина кристала переходить в положення симетричне по відношенню до іншої його частини відносно певної площини двійникування.

Схеми ковзання та двійникування монокристала зображені на рис. 9, 10.

Пластична деформація полікристалічного метала відбувається внаслідок деформації кожного зерна. Починається деформація в зернах, орієнтація яких співпадає з напрямком прикладених напружень. На цій стадії деформації під мікроскопом можна спостерігати сліди ковзання в вигляді прямих ліній, які однаково орієнтовані в межах окремих зерен.

При збільшені деформації зерна змінюють свою форму. До деформації зерно мало округлу форму, а після деформації - витягнуту в напрямку дії прикладених сил. Утворюється волокниста структура (рис.11 )

 

Рис. 9 - Схема пластичної деформації монокристала ковзанням та двійникуванням:

а) - недеформований кристал; б) - поява пластичної деформації; в) - залишкова деформація (зсув на один період решітки); г) - утворення двійника.

 

Рис. 10 - Схема руху дислокації в кристалі під дією напружень зсуву.

 

Рис. 11 - Вплив пластичної деформації на макроструктуру метала:

а) - метал до деформації; б) - початкова стадія деформації;

в, г) - деформований метал.

При великих ступенях деформації зерна мають закономірну орієнтацію кристалографічних площин. Таку будову металу називають текстурою. Текстурований метал має анізотропію механічних та фізичних властивостей.

Пластична деформація змінює не тільки структуру метала, але й його властивості: підвищується твердість, міцність, межа текучості, а пластичність зменшується. Ці зміни тим більші, чим вища ступінь деформації. Явище зміни структури, механічних та фізико-хімічних властивостей метала при холодній пластичній деформації називають нагартуванням.

Наклепаний метал має підвищену кількість дефектів, яка порівняно з недеформованим станом збільшується на два-чотири порядки і може сягати 1010-1012 см-2.

Для багатьох технологічних процесів (холодна прокатка, волочіння, штампування) нагартування є небажаним явищем.

В машинобудуванні нагартування використовують для поверхневого зміцнення деталей. Наприклад, опорні шийки валів піддають інтенсивній холодній обробці тиском твердими роликами з метою зменшення зносу та підвищення строку служби. Ресори, пружини піддають обробці дробом чи гідрообразивній обробці для створення в поверхневому шарі залишкових напружень стиску, що підвищує межу витривалості в 1,5 - 2 рази.

Усунути нагартування, відновити пластичність можна нагріванням холоднодеформованого метала. При нагріванні в металі відбуваються процеси повороту, полігонізації та рекристалізації, які забезпечують відновлення властивостей.

Поворот для технічно чистих металів відбувається при нагріванні до 0,2 . Зменшується кількість точкових дефектів. Структура та властивості метала практично не змінюються.

Полігонізація починається при температурах 0,3 , суть процесу полягає в фрагментації кристалітів на субзерна. Дислокації вишукуються в стінки, їх кількість зменшується. Міцність та твердість метала зменшується, частково усуваються внутрішні напруження. Структура метала залишається волокнистою.

При підвищенні температури до (0,4 - 0,5)  в деформованому металі з’являються зародки нових зерен з невикревленою решіткою і при витримці вони ростуть. Замість волокнистої структури деформованого метала утворюються нові рівновісні зерна. Цей процес називають рекристалізацією. Деформовані зерна замінюються новими рівноважними. Внутрішні напруження зникають, твердість та міцність зменшується, пластичність збільшується. Внаслідок рекристалізації нагартування практично повністю усувається. Густина дислокацій зменшується з 1010 - 1012 до 106 – 108 до см-2.

 

Рис. 12 - Схема зміни мікроструктури деформованого метала при нагріванні:

а) нагартований метал; б) початок рекристалізації; в) завершення первинної рекристалізації; г) вторинна рекристалізація

Розмір рекристалізованного зерна залежить від ступеня холодної деформації, температури нагрівання та тривалості витримки, рис. 13.

 

а)  б)  в)

Рис. 13 – Вплив нагрівання на механічні властивості холоднодеформованого металу (а). Вплив ступеня деформації та температури рекристалізаційного відпалу на величину

 рекристалізованого зерна (б, в).

Розрізняють холодну та гарячу пластичну деформацію.

Холодною деформацією називають таку, що відбувається при температурах нижчих за температуру рекристалізації. Тому холодна деформація супроводжується нагартуванням.

Гарячу деформацію проводять при температурах вищих за температуру рекристалізації. Така деформація не викликає нагартування.