Пластическая деформация металла

 

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

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

Пластическая деформация металла

Рис. 49. Схемы упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига т: а - первоначальный кристалл; б - упругая деформация; в - увеличение упругой и появление пластической деформации, вызванной скольжением при нагружении, больше предела упругости; г - напряжение, обусловливающее появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д - образование двойника

Скольжение в кристаллической решетке

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

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

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

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

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

Рис. 50, Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига, на поверхности кристалла: а - схема расположения дислокаций; б - г - этапы передвижения дислокации и выхода ее на поверхность; т - напряжение сдвига; М - М - плоскость сдвига

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

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис. 50). При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений в направлении, указанном стрелкой, атомы вблизи ядра дислокации перемещаются справа налево на расстояния, значительно меньшие межатомных. Атомы смещаются не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости. Дислокации могут переходить с одной плоскости скольжения на другую. Этот переход (переползание, восхождение) осуществляется добавлением или удалением слоя атомов путем диффузии.

Перемещение дислокации

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

Механизм образования дислокации, по Франку и Риду, заключается в том, что закрепленная в точках А и Ах дислокация может под действием касательных напряжений испытывать перемещения, показанные на рис. 51. Линия дислокации, разрастаясь, превращается в дислокационное кольцо. В то же время обе концевые части спиралей, сливаясь, дают дислокацию А - А1 в исходном состоянии. Далее под действием напряжений процесс начинается снова, дислокация как бы возвращается в начальное положение И т. д.

Схема последовательных I — V стадий действия источника Франка — Рида

Рис. 51. Схема последовательных I - V стадий действия источника Франка - Рида

Кривая деформационного упрочнения моно- и поликристаллического металла

Рис. 52. Кривая деформационного упрочнения моно- и поликристаллического металла с ГЦК решеткой: 1 - монокристалл; 2 - поликристалл

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

Стадии пластической деформации

На начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществляется движением дислокаций по одной системе плоскостей - стадия легкого скольжения (рис. 52). Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значительного роста действующих напряжений (стадия I деформационного упрочнения). После этого начинается стадия множественного скольжения - движение дислокации в двух и более системах. На этой стадии после значительной деформации дислокационная структура металла сильно усложняется и плотность дислокаций («лес» дислокаций) возрастает по сравнению с исходным состоянием на четыре - шесть порядков, достигая 1011 - 1012 см-2. Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление их движению сильно возрастает (см. рис. 52) и для их продвижения внешнее напряжение должно резко возрасти (стадия II деформационного упрочнения). Под влиянием все возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т. е. скольжение с переходом из одной разрешенной плоскости скольжения в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячеек. Наступает III стадия деформации, когда происходит так называемый динамический возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения (см. рис. 52).

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

Похожие материалы