Свойство металла медленно пластически деформироваться

Под действием механических нагрузок металлы способны изменять свою форму — деформироваться. В случае небольших нагрузок металлы испытывают упругую Деформацию. Главная особенность упругой деформации заключается в том, что она полностью исчезает после удаления силы, которая ее вызвала, т. е. металл полностью восстанавливает свою форму после прекращения действия приложенной силы. Количественно связь между приложенной силой и вызванной ею упругой деформацией описывается законом Гука.

Рис. 6. Схема деформации растяжения (а) и сдвига (б)

Различают два простейших вида упругой деформации- линейное растяжение и простой сдвиг. При линейном растяжении (рис. 6, а) на брусок, имеющий первоначальную длину l и поперечное сечение 5, действует сила F, вызывающая напряжение σ=F/S. Под действием этой силы брусок упруго удлиняется на величину Δl.

Закон Гука для этого случая выражается равенством σ = ЕΔl/l = Еε. Здесь ε — относительная упругая деформация, Е — коэффициент пропорциональности. Таким образом, для случая линейного растяжения напряжения растяжения в металле прямо пропорциональны упругому удлинению. При простом сдвиге (рис.

6, б) в образце возникают касательные напряжения τ, которые также пропорциональны деформации, измеряемой тангенсом угла сдвига τ = F/S = Gtg α, где G — также коэффициент пропорциональности. Коэффициент Е называется модулем нормальной упругости Юнга, коэффициент G — модуль сдвига. Оба модуля имеют размерность напряжений (сила/площадь).

Они отражают силы связи атомов в решетке и поэтому являются характеристиками, определяемыми природой металла. Значения упругих модулей металлов приведены в табл. 3.

Таблица 3. Упругие свойства металлов

Примечание. ГПа = 109 Па.

При полиморфных превращениях значения модулей меняются незначительно. Это объясняется тем, что природа атомов при этом не меняется, а изменение объема и связанное с этим изменение числа атомов, приходящегося на единицу объема в кристаллической решетке, не превышает нескольких процентов.

Значения модулей упругости и сдвига, определенные по разным направлениям в монокристалле, существенно различаются. Эти различия связаны с разной плотностью упаковки кристаллических плоскостей. Легирование металла, т. е.

введение в него других элементов, сказывается на упругих характеристиках пропорционально доле введенных атомов, поэтому модули упругости и сдвига малолегированных сплавов практически равны модулям чистых металлов, являющихся основами этих сплавов.

Модули упругости и сдвига представляют собой важнейшие характеристики металлов, предопределяющие так называемую жесткость металлических конструкций и деталей. Значение модуля упругости можно видеть из следующего примера.

Если одна и та же деталь изготовлена из вольфрама, стали и сплава на основе меди, то одинаковые напряжения вызовут в ней различные упругие деформации, величины которых будут относиться (по закону Гука) обратно пропорционально модулям упругости материалов, т. е. как 1:2:3.

Если на металл действует большие напряжения, то после снятия нагрузки форма и размеры металлического изделия, детали или образца не возвращаются к первоначальным, существовавшим до приложения нагрузки. Это означает, что металл испытал пластическую деформацию. По мере дальнейшего увеличения напряжений возрастает и пластическая деформация, а затем происходит разрушение металла.

Строго говоря, в большинстве случаев самые небольшие напряжения уже способны вызвать в металле некоторую пластическую деформацию, но для упрощения расчетов допускают, что при нарастании действующих напряжений металл вначале деформируется только упруго, а затем — пластически.

Теоретические представления, экспериментальные данные и практические наблюдения показывают, что при любых способах механических воздействий на металл пластическая деформация в нем происходит путем скольжения и двойникования. На рис. 7 представлена схема процесса пластической деформации кубического кристалла путем скольжения.

Положение а представляет собой кристаллическую решетку в исходном состоянии. После приложения нагрузки (положение б) под действием сдвигающих (иначе скалывающих) напряжений кристалл деформируется упруго, при этом все ячейки кубической решетки приобретают вид ромбов, а расстояния между горизонтальными плоскостями уменьшаются.

По мере возрастания приложенной нагрузки скалывающие напряжения растут, и упругая деформация кристаллической решетки увеличивается, пока, наконец, не произойдет смещение верхней части кристалла относительно нижней на одно межатомное расстояние.

Касательное напряжение, вызвавшее это первоначальное смещение, называется критическим напряжением сдвига или критическим скалывающим напряжением. Плоскость, по которой произошло смещение, называется плоскостью скольжения. На рис. 7 она перпендикулярна плоскости чертежа. Ее след обозначен пунктирной линией (положения в и г).

Направление скольжения в данном случае совпадает с направлением приложенной к кристаллу силы, которая указана стрелками.

Если после происшедшего скольжения снять нагрузку, действовавшую на кристалл, то упругая деформация полностью исчезнет, элементарные ячейки примут первоначальную форму кубов (на рисунке — квадратов), форма же всего кристалла останется измененной; в нем прошла пластическая деформация. Если бы нагрузка продолжала действовать, то скольжение происходило бы и дальше, и верхняя часть сдвигалась относительно нижней на два, три и т. д. межатомных расстояния.

Рис. 7. Пластическая деформация кристалла скольжением

Схема пластической деформации кристалла путем двойникования представлена на рис. 8, где действующие на кристалл силы изображены стрелками. Упругая деформация, предшествовавшая пластической, на рисунке не показана.

Пластическая деформация прошла в правой верхней части кристалла, она выразилась в закономерном смещении атомов в диагональных плоскостях элементарных ячеек. Первоначальное положение атомов в этой части кристалла изображено знаком плюс.

Плоскость, отделяющая незатронутую деформацией часть кристалла от части, подвергшейся деформации, называют плоскостью двойникования. Она перпендикулярна плоскости рисунка, ее след отмечен пунктирной линией.

Нетрудно убедиться в том, что в результате прошедшей пластической деформации правая верхняя часть кристалла стала как бы зеркальным отражением левой части, т. е. из одного кристалла образовалось два, причем их взаимное расположение строго определено.

В кристаллографии такие кристаллы называют двойниками, отсюда появился термин двойникование.

Пластическая деформация путем двойникования по существу происходит за счет скольжения, которое охватывает сразу множество плоскостей, смещающихся одна относительно другой в определенной закономерности. Эта закономерность на рис.

8 заключается в том, что каждая атомная плоскость, параллельная плоскости двойникования, смещается относительно соседней плоскости на 1/2 межатомного расстояния в направлении двойникования. На рис. 8 направление двойникования совпадает с направлением действующих сил.

Рис. 8. Пластическая деформация кристалла двойникованием

Плоскости и направления скольжения и двойникования в значительной мере предопределяются типом кристаллической решетки. При механическом воздействии на кристалл скольжение будет происходить при наименьших нагрузках по тем плоскостям, которые отстоят одна от другой на наибольшие расстояния.

Из изложенного в § 2 следует, что такие плоскости в кристаллических решетках являются наиболее плотноупакованными. Следовательно, скольжение должно происходить по плоскостям с плотнейшей упаковкой.

Направление скольжения всегда совпадает с тем направлением в решетке, которое наиболее плотно усеяно атомами.

Таким образом, в металлах с гранецентрированной кубической решеткой плоскостями скольжения являются октаэдрические плоскости {111}, а направлением скольжения — диагонали грани куба .

В металлах с объемноцентрированной кубической решеткой скольжение может происходить по нескольким семействам плоскостей — {110}, {112}, {113}, но всегда в направлении .

Скольжение в металлах с гексагональной плотноупакованной решеткой происходит по плоскости базиса {0001} в каком-либо одном из трех направлений .

Двойникование в г. ц. к. решетке происходит по плоскостям {111}в направлении , в о. ц. к. решетке — по {112} и , в г. п. у. решетке по {1012} и .

Из схемы скольжения, изображенной на рис. 7, следует, что при перемещении верхней части кристалла на одно межатомное расстояние каждый раз происходит разрыв и немедленное последующее восстановление связей между всеми атомами, разделяемыми плоскостью скольжения.

Теоретические расчеты показали, что для этого необходимы нагрузки, дающие высокие критические напряжения сдвига, которые превосходят экспериментальные данные в 100 — 1000 раз.

Согласовать опытные и теоретические данные удается, если использовать представления о дислокациях.

На рис. 9, а изображен кристалл, подобный тому, который был на рис. 7. Под действием нагрузки в кристалле появилась краевая дислокация, проходящая перпендикулярно чертежу.

В данном случае, чтобы вызвать скольжение верхней части кристалла относительно нижней, не нужно разрывать сразу все межатомные связи на плоскости скольжения. Уже при очень небольшой нагрузке будет происходить перемещение (скольжение) краевой дислокации слева направо (рис.

9, б и в), так как атомы в районе дислокации уже смещены из положений равновесия. В результате дислокация пробегает весь кристалл и выходит на поверхность, создавая там ступеньку в одно межатомное расстояние (рис. 9, г). Как видно, в итоге получается то же положение, что и на рис.

7, т. е. в результате Перемещения дислокации изменилась форма кристалла, в нем прошла пластическая деформация.

Рис. 9. Пластическая деформация кристалла с краевой дислокацией

В наиболее совершенных металлических кристаллах может быть 103 — 105 дислокаций на 1 см2. В результате пластической деформации плотность дислокаций возрастает до 109 — 1011 на 1 см2. Дело в том, что на рис.

7 — 9 изображены идеализированные схемы, когда на кристалл действуют нагрузки, вызывающие только касательные напряжения. Фактически даже деформация монокристалла простым растяжением вызывает появление в нем большого количества новых дислокаций.

Увеличение плотности дислокаций обусловливает все более сильное упругое взаимодействие между ними. В результате по мере роста пластической деформации требуются все большие нагрузки для ее продолжения. Такое упрочнение металлического кристалла называют наклепом.

Наконец, в кристалле исчерпывается способность к пластической деформации как путем скольжения, так и путем двойникования, и если нагрузка будет увеличиваться, кристалл разрушится.

Из обсуждения пластической деформации металлических монокристаллов ясно, что в поликристаллических образцах она должна проходить очень сложно. Прежде всего следует отметить большую неоднородность прохождения пластической деформации в начальной стадии.

При линейном растяжении поликристаллического образца (см. рис. 6) после определенной упругой деформации, которая захватит все зерна, в некоторых из них начнется пластическая деформация. Из курса сопротивления материалов известно, что при линейном растяжении в образце развиваются тангенциальные (касательные) напряжения.

Они достигают наибольшей величины в направлениях под 45° к оси растяжения. По этой причине те зерна в образце, у которых направления и плоскости легкого скольжения расположены под углом в 45° к оси растяжения, начнут деформироваться пластически, в то время как в других кристаллах, расположенных иным образом, будет продолжаться упругая деформация.

Пластически деформируемые зерна будут упрочняться — наклёпываться, и, кроме того, в ходе деформирования всего образца их ориентировка будет меняться. По этим причинам после растяжения образца на некоторую величину действующие напряжения оказываются не в состоянии вызывать в них пластическую деформацию, и они вновь начнут деформироваться упруго.

Но к этому моменту другие зерна, которые пока деформировались только упруго, в ходе растяжения образца изменили свое расположение. У некоторых из них направления и плоскости легкого скольжения оказались под углом в 45° к оси растяжения, и эти зерна начали деформироваться пластически.

По мере общего удлинения образца в ходе растяжения пластическая деформация захватывает все новые и новые зерна. Если напряжения растяжения будут увеличиваться, то пластическая деформация может происходить во всех зернах, в том числе и в тех, которые ориентированы самым неблагоприятным для данных условий образом.

При деформации поликристаллических образцов скольжение и двойникование могут происходить не только по плоскостям и направлениям наиболее легкого деформирования, но и по некоторым другим системам. Такая усложненность пластической деформации вызывает быстрое упрочнение металла.

Опыт показывает, что скольжение не проходит равномерно, а захватывает отдельные области в поликристаллическом металле, Эти участки можно различать простым глазом или под небольшим увеличением, например, на поверхности образцов, подвергнутых растяжению. Они носят название полос Чернова-Людерса и расположены под углом 45° к оси растяжения, так как именно под этим углом в образце развиваются наибольшие касательные напряжения.

Под действием пластической деформации в кристаллической решетке происходят серьезные изменения: плоскости сильно изгибаются, между отдельными участками решетки возникают большие упругие напряжения, весь объем кристалла разбивается на очень мелкие участки (не более 1 — 3 мкм), на границах которых скапливаются дислокации и другие несовершенства, внутри же этих микрообъемов кристаллическая структура сохраняется достаточно совершенной.

Все сказанное относится к так называемой холодной деформации, проходящей при низких температурах. Для металлов технической чистоты условная граница между низкими и высокими температурами лежит около 0,4 Тпл. При повышении чистоты эта температура заметно понижается. Для сплавов она доходит до 0,6 Тпл.

Влияние повышения температуры на пластическую деформацию выражается прежде всего в том, что снижаются критические скалывающие напряжения. Сдвиги и двойникование совершаются при меньших внешних нагрузках. Кроме того, начинают работать дополнительные системы скольжения, и это также облегчает пластическую деформацию металла.

Наконец, если температура, при которой осуществляется деформация, достаточно высока, то в результате возросшей диффузионной подвижности атомов все или почти все дефекты, вызываемые пластической деформацией, в виде дислокаций, искажений атомных плоскостей, напряжений между блоками и между зернами, успевают уничтожиться.

Это означает, что в ходе такой горячей деформации металл не упрочняется. Таким образом, пластическая деформация при высоких температурах характеризуется существенно меньшими напряжениями сдвига и отсутствием наклепа.

Время действия нагрузки может существенно повлиять на процесс пластической деформации металлов. Если нагрузка действует в течение сотен и тысяч часов, то пластическая деформация может обнаружиться при очень малых напряжениях. Особенно велика роль времени при температурах, близких к 0,4 Тпл и выше.

Б этих условиях из-за повышенной диффузионной подвижности атомов при очень небольших напряжениях (в 10 — 100 раз меньших, чем при комнатной температуре) в кристаллической решетке начинается передвижение дислокаций и просто направленное перемещение атомов, в результате чего происходит пластическая деформация.

В этих условиях не происходит накопление дефектов в кристаллической решетке, и металл не упрочняется.

В продаже маска мпг изод цена невысокая

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.

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

1. 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.

2. 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.

3. 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 450 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.

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.

Деформация металла: виды, описание процессов

СОДЕРЖАНИЕ

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.

: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»

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.

: «Сварка нержавейки электродом»

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.

: «Дуговая сварка в защитном газе: суть процесса»

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°.

: «Контактная сварка»

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.
• : «Сварка медных проводов: разбираемся в технологии»
• 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.

: «Технология сварки сталей»

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.

: «Шлифовка металла: технология, режимы выполнения работ»

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.

: «Быстрорежущая сталь: сферы применения, маркировка»

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.

Металл под микроскопом: изменение структуры и свойств металла путем деформации и рекристаллизации

Рассмотрим более подробно понятие рекристаллизации.

Этот процесс известен с 19 века. В микроскопе рассматривались частички стали. Частички состояли из длинных зерен, которые при увеличении температуры изменили свою форму и стали ровными со всех сторон. Такое явление назвали рекристаллизацией.

Рекристаллизация – это образование новых кристаллических зерен с помощью других. Данный процесс происходит при повышении температуры. Чем выше температура, тем быстрее скорость процесса рекристаллизации.

При рекристаллизации изменяются свойства металлов. Может снизиться прочность и стойкость, увеличится пластичность.  Во время данного явления становится меньше общая масса зернограничной энергии.

В процессе рекристаллизации используются металлы, состоящие из большого количества кристаллов. Такие металлы являются поликристаллическими. Пластичные металлы, легко поддающиеся деформации, в большей степени подвержены рекристаллизации.

Микроструктура кристаллического тела – понятие характеризующее общее число кристаллов, их расположение, и границы между зернами. Если происходит увеличение количества кристаллов, то снижается качество огнеупоров и их механические свойства. Это происходит, потому что при росте кристаллов повышается напряжение между границами зерен.

При уменьшении размера кристаллов также могут происходить ухудшения свойств металлов.

Для того, чтобы улучшить свойства металлов, необходимо получать изделия с небольшими и крупными кристаллами.

Статическая рекристаллизации происходит уже после деформации изделия. Для этого необходимо повышение температуры.

Динамический вид рекристаллизации происходит в самом процессе деформации изделия из металла.

В науке рекристаллизацию подразделяют на три этапа – первичная, собирательная, вторичная.

• Первичная рекристаллизация характеризуется тем, что в изделии, подвергшемся деформации с помощью повышения температуры, появляются новые кристаллы. Эти кристаллы увеличиваются в размерах и забирают в себя деформированные зерна. К концу завершения процесса деформированные зерна практически исчезают. Также сокращается количество дефектов в металле. Изделия из металла приходит в прежний вид и состояние. Чем выше поднимается температура, тем быстрее происходит процесс первичной рекристаллизации.
• В процессе собирательной рекристаллизации — зерна, неискаженной формы, увеличиваются в размерах, за счет действия друг на друга. Размеры каждого зерна при этом увеличиваются. Чем сильнее деформация, тем больше увеличиваются зерна в размере.
• Вторичная рекристаллизация отличается тем, что лишь небольшое количество зерен способны изменяться в размерах. Такой вид рекристаллизации увеличивает стойкость изделия к повышенным температурам.

Кроме этого, выделяется такое понятие, как динамическая рекристаллизация. В этом процессе появляются совершенно новые зерна. Чем выше повышается температура для деформации металла, тем быстрее осуществляется появление новые зерен. Если температура выше необходимой, то процесс динамической рекристаллизации может завершиться за одну секунду.

Бывает так, что после перенесенной рекристаллизации материал изменяет свою структуру и свойства. Для того, чтобы определить температуру рекристаллизации для определенного металла, необходимо выяснить температуру его плавления.

Рекристаллизация позволяет изменять зерна, их форму, размеры, свойства и структуру. За счет изменения зерен меняется и сам металл. 

Процесс рекристаллизации происходит в тесной связи с деформацией металла.

Влияние пластической деформации на микроструктуру металла (схема)

Рассмотрим более подробно понятие деформации и ее назначение.

Деформация – это процесс, при котором меняется форма и размеры изделия. Деформация может происходить за счет воздействия специальных инструментов на металл. Также для деформации изделия используют определенные процессы (например, повышение температуры). Изделие можно растянуть, сжать, скрутить, загнуть. Это и есть процессы деформации.

Выделяют такое понятие, как упругая деформация. Она характеризуется тем, что, когда устраняют внешнюю нагрузку, которая способствовала деформации, изделие из металла приходит в прежнее состояние.

Даже небольшое силовое воздействие на металл вызывает деформацию. Если применяется растяжение изделия, то расстояние между атомами становится больше. А при сжатии изделия происходит обратный процесс.

• Если на металл оказывается минимальное воздействие, то эту деформацию можно назвать упругой.
• При сильном воздействии металл не возвращается в исходное состояние, и такая деформация называется пластичной.
• Чем пластичнее металл, тем больше он поддается пластической деформации.

Во время пластической деформации свойства металла могут измениться до неузнаваемости. Даже если изделие из металла обладает повышенной твердостью, при подборе определенной превышающей нагрузки может произойти пластическая деформация. Предел упругости у каждого металла разный, поэтому и воздействие нужно подобрать исходя из свойств металла.

Если изделие подвергнуть статичной нагрузке, изменения металла будут происходить постепенно и медленно. Такой процесс называется ползучестью. Если увеличить температуру воздействия на изделие, то скорость процессов также возрастет.

Сама же пластическая деформация зависит от свойств металлов, скорости воздействия, температуры и длительности нагрузки.

Те металлы, которые характеризуются кубическим видом кристаллической решетки, считаются наиболее пластичными. Поэтому они быстрее и проще поддаются деформации.

Можно изменить изделие с помощью холодной деформации. Такой процесс происходит при температуре ниже рекристаллизации изделия.  При таком виде деформации происходит увеличение прочности металла. Но холодная деформация возможна только с изделиями характеризующимися малым сечением (например, проволока).

Деформация с применением высоких температур, называется горячей. В этом процессе происходит полная рекристаллизация металла. Такой вид деформации обычно используется для крупных изделий.

Также деформация может происходить и без специального воздействия. Такой вид деформации встречается в природе. Свойства, внешний вид определенного металла, его прочность могут поменяться и из-за природных воздействия, независимых от человека.

В данной статье подробно были рассмотрены два важных процесса: деформация и рекристаллизация металлов. Эти процессы взаимосвязаны между собой. Они могут быть обратимыми и необратимыми.

Процесс рекристаллизации металла происходит в ходе деформации и различных физических воздействий на металл.

Естественно, все металлы отличаются друг от друга по свойствам и структуре, а значит процессы рекристаллизации и деформации происходит по-разному.

Деформация и рекристаллизация широко применяются в изготовлении различных металлических изделий. Эти процессы позволяют увеличить качество металла, изменить форму изделия и его внешний вид.

Важно подобрать оптимальное воздействия на металл, только в этом случае его свойства можно улучшить. Не всегда рекристаллизация и деформация оказывают положительное влияние на изделие.

Но несмотря на это, эти два процесса являются обязательными в металлообработке.