Пластическая деформация и разрушение металлов и сплавов

 

Деформациейназывается изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических - необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.

Диаграмма растяжения металлов представляет собой зависимость напряжений от степени деформации металла (рис. 39).

Рисунок 39 - Диаграммы: а – растяжения металлов для условных (1) и истинных(2) напряжений; I– область упругой деформации; II –область пластической деформации; III – область развития трещин; б – истинных напряжений

 

Строится она при статических испытаниях, когда прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Кривая 1 характеризует деформацию металла под действием напряжений, величина которых является условной (σ), т.е. ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца F₀ ( , кгс/мм² ). До точки А деформация пропорциональна напряжению Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абцисс характеризует модуль упругости материала Е = s/d, где d- относительная деформация. Модуль упругости Е определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации, т.е. смещение атомов из положения равновесия в решетке. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Закон пропорциональности между напряжением и деформацией является справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших напряжениях в упругой области наблюдается отклонение от закона пропорциональности. Это явление называют неупругостью. Оно проявляется в том, что деформация, оставаясь обратимой, отстает по фазе от действующего напряжения. Неупругость связана с движением точечных дефектов, дислокаций и атомов в приграничных объемах.

Напряжение, соответствующее точке А называют пределом пропорциональности (σ_п.ц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т.е. напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинение достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованный касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50 % своего значения на линейном упругом участке.

Предел упругости – напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05 % и меньше от начальной длины образца.

Предел текучестиσ_Т - напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

Если площадка текучести по диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ_0,2 - напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Физический предел текучести – напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки.

Предел прочности (временное сопротивление) σ_В – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца. .

При испытании на растяжение определяют, кроме того, характеристики пластичности. К ним относятся:

Относительное удлинениеδ рассчитывается как отношение прироста длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

где l₁ — длина образца после разрыва, мм; l_o– расчетная (начальная) длина образца.

Относительное сужениеψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного, сечения, выраженным в процентах,

Здесь F₀ — начальная площадь поперечного сечения образца; F₁ - площадь поперечного сечения образца в ме­сте разрушения.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивлениесдвигу минимально. Вметаллах с ГЦК решеткой скольжение протекает по 4-м плоскостям типа (111) и в направлениях диагонали куба [110] (всего 3 направления и 12 систем скольжения). В ОЦК металлах – по 6 плоскостям типа (110) и в направлениях типа [111], всего 12 систем скольжения. В кристаллах с ГПУ решеткой скольжение идет по плоскостям базиса, всего 3 системы скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, т. к. скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с ГПУ решеткой менее пластичны, труднее поддаются прокатке, штамповке.

Процесс скольжения нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой синхронный сдвиг требует очень больших напряжений. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис. 40).

Рисунок 40 - Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла: а - схема движения дислокации; б-краевая дислокация в кристаллической структуре; в – дислокация перемещена на два межатомных расстояния в решетке под влиянием приложенного напряжения; г – выход дислокации на поверхность и появление сдвига

Процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. С ростом числа дислокаций они располагаются в разных плоскостях и мешают друг другу перемещаться. На этом основаны способы упрочнения металлов путем механического наклепа.

В монокристаллах при приложении нагрузки весь объем находился в однородном напряженном состоянии, а в поликристалле разные зерна находятся в различных напряженных состояниях. В разных зернах может работать разное число систем скольжения, поэтому деформация в различно ориентированных зернах неоднородна. Кроме того, в поликристаллах сдвиг одного зерна в другое передается через границу и осуществляется неодинаково в раз­ных зернах. Даже в пределах одного зерна деформация неоднородна из-за скольжения дислокаций у границ.

В поликристаллических материалах меньшее число дислокаций выходит на поверхность образца по сравнению с монокристаллами и большее их число тормозится в объеме. Поэтому в поликристаллических материалах прочностные характеристики более высокие, а пластические - более низкие, чем в монокристаллах и сильно зависят от размеров зерна.

Двойникование – способ пластической деформации, характерный для металлов, имеющих плотноупакованные решетки. Заключается в переориентации части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости двойникования (рис. 41). Двойникование сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. В металлах с ОЦК и ГЦК решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформации и низких температурах.

Рисунок 41 - Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига: а–первоначальный кристалл; б– упругая деформация; в–увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г–напряжение, обуславливающее появление сдвига; д– образование двойника

Упрочнение металлов осуществляется за счет увеличения плотности дислокаций путем механического наклепа. При наклепе увеличивается количество дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), при этом затрудняется движение дислокаций. Измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и легирование создают несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствующие свободному передвижению дислокаций. За счет термической обработки создают структуры с упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение, которые также препятствуют свободному передвижению дислокаций. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит в результате развития нескольких трещин или слияния трещин в одну магистральную, по которой металл разрушается. Разрушение может быть хрупким и вязким.

Механизм зарождения трещин при хрупком и вязком разрушениях одинаков. Скопление дислокаций перед препятствием в ходе пластической деформации является причиной возникновения микротрещины. В таком месте дислокации приходят в такое тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая трещина (рис. 42).

Рисунок 42 - Схемы отрыва (а), среза(б), образования трещины за счет скопления дислокаций у препятствия

При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина при заданном напряжении превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую по радиусу у вершины с атомными размерами. В этом случае напряжения краю трещины оказываются достаточными для нарушения межатомной связи (критерий Гриффитса).

При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения отличаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком – эта зона мала, при вязком – величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, и трещина затупляется в вершине. Вязкое разрушение идет с малой скоростью роста трещины, а хрупкое – с очень большой. Транскристаллитное разрушение – по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (только хрупкое). Рельеф поверхности при хрупком и вязком разрушении различен (см. рис. 43)

 

а

б

Рисунок 43 – Рельеф поверхности при хрупком (а) и вязком (б) разрушении

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще – это испытания на растяжение (рис. 39). Испытания на сжатие – применяют для материалов, хрупких при растяжении (чугуны, алюминиевые сплавы и др.). При сжатии образцы разрушаются срезом. Определяют предел прочности при сжатии.

Твердость металлов – это свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измеряют эту характеристику по Бринелю – вдавливание стального шарика, измерение диаметра отпечатка после снятия нагрузки; по Роквеллу – вдавливание алмазного конуса или стального шарика, измеряют глубину вдавливания (точнее остаточное увеличение глубины внедрения после снятия основной нагрузки и сохранения предварительной нагрузки); по Виккерсу – вдавливание алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды и измерение диагонали отпечатка после снятия нагрузки.

Микротвердость – определение твердости в микроскопических объемах по Виккерсу, только при небольших нагрузках и с помощью металлографического микроскопа.

Испытания на изгиб – применяют для хрупких материалов (чугун, инструментальные стали после поверхностного упрочнения). Испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образцах, лежащих на двух опорах. Предел прочности при изгибе s_изг(s_max) = М_max/w , где М_max – максимальный изгибающий момент; w - характеристика сечения образца (для прямоугольного сечения w=bh²/6 – для прямоугольного сечения и w=pr³/32 – для круглого сечения).

Надежность конструкций во многом определяется сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной (острой) трещины (т.е. вязкостью разрушения), а не ее зарождению. При испытаниях в условиях плоского деформированного состояния обозначают К_1С – вязкость разрушения. Эта величина определяет способность металла противостоять развитию трещины (поэтому называют трещиностойкостью). Это структурно чувствительная характеристика материала. Испытания проводят на образцах с надрезом.

Динамические испытания – испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях. Динамические испытания на ударный изгиб определяют склонность сталей к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (крнцентратором напряжений) ударом маятникого копра. По шкале маятникого копра определяют полную работу К, затраченную при ударе.

Ударная вязкость КС (Дж/м²) – это работа, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора напряжений. Яаляется интегральной характеристикой, включающей работк зарождения и работу распространения вязкой трещины: КС = а_З + а_Р.

Порог хладноломкости – это температура, при которой в изломе образца после испытаний имеется 50% волокна (вязкого разрушения, подобного показанному на рис. 43.

Усталостьюназывают постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению (это может происходить при напряжениях гораздо менее s_0,2). Свойство металла сопротивляться усталости называют выносливостью. Испытания на усталость проводят при переменных напряжениях. Цикл напряжения – это совокупность переменных значений напряжегний за один период их изменения.(рис. 44)

Рисунок 44 - Схема циклического нагружения: а–растяжением; сжатием; в–закономерным нагружением

Цикл характеризуется коэффмцментом асимметрии: R = s_min/s_max . При R = -1 цикл симметричный, при R ¹ -1 – асимметричный. В результате испытаний определяют предел выносливости.

Предел выносливости s_R– наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образцов после большого или заданного числа циклов нагружения.

К специальным типам испытаний относятся методы испытания на износ, на обрабатываемость резанием, испытания сварных соединений, технологические испытания при различных температурах и в различных рабочих средах, моделирующие условия эксплуатации деталей

Конструктивная прочность металлов – это надежность металла против внезапных разрушений (ударная вязкость, живучесть), определяется в ходе статических и динамических испытаний образцов с острыми трещинами. Кроме того, она определяется долговечностью (сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость) и прочностью конструкции в целом (определяется в ходе стендовых испытаний или эксплуатационных).

Структура металлов и сплавов после деформации отличается от исходной. Во-первых, появляется текстура. Текстура деформации – это преимущественная ориентировка кристаллической решетки. Текстура приводит к тому, что свойства становятся разными в различных направлениях.

С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продол­жить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удается повысить в 1,5 - 3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у кото­рых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклёпываются аустенитная сталь, никель, а алюминий упрочня­ется незначительно).

Холоднодеформированный металл находится в термодинамически неустойчивом состоянии. Большая часть работы (90-95 %), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная накапливается в виде повышенной плотности дефектов строения кристаллической решетки, т.е. в виде внутренних напряжений. Такое состояние является причиной процессов, протекающих при нагреве металла.

1 – деформационное старение – явление повышения твердости, пределов упругости, текучести и прочности при нагреве до 50-250⁰С

Рисунок 45 - Схема изменения строения нагартованного металла при нагреве

2 – возврат – повышение структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов кристаллической решетки без изменения структуры, видимой в световом микроскопе. Возврат происходит при нагреве ниже (0,2-0,3) от Т_пл. Если металл был сильно деформирован, то вытянутость зерен после возврата сохраняется (рис. 45).

При температура ниже 0,2 Т_пл. протекает первая стадия возврата, при которой происходит уменьшение точечных дефектов за счет стока их к границам зерен, поглощения дислокациями, взаимодействия примесных атомов с вакансиями. Кроме того, происходит перегруппировка дислокаций (переползание в разных плоскостях, удлинение или укорачивание за счет взаимодействия с точечными дефектами и их взаимная аннигиляция). При этом не образуются новые субграницы. Эта стадия называется отдыхом.

Вторая стадия возврата происходит при нагреве до температур 0,2-0,3 Т_пл. и называется полигонизацией. Происходит фрагментация кристаллитов на субзерна (полигоны) с малоугловыми границами (рис. 46). При нагреве происходит аннигиляция дислокаций разного знака и выстраивание дислокаций одного знака в дислокационные стенки, что приводит к образованию полигонов, свободных от дислокаций.

Рисунок 46 - Схема стабилизирующей полигонизации: а – хаотичное распределение дислокаций в изогнутом кристалле; б – стенки из дислокаций после полигонизации

3 – первичная рекристаллизация (или рекристаллизация обработки)– образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла. Разупрочнение объясняется снятием искажения решетки и резким уменьшением плотности дислокаций.

4 – собирательная рекристаллизация (нормальный рост зерна) – новые рекристаллизованные зерна растут при дальнейшей выдержке, т.к. система стремится к уменьшению свободной энергии за счет уменьшения поверхностной энергии.

5 - вторичная рекристаллизация (аномальный рост зерна) – локальное объединение зерен. Причиной является также стремление к уменьшению свободной энергии. Благоприятное для роста соотношение кристаллографических ориентировок соседних зерен, меньшая, чем у других зерен концентрация дефектов и более высокая подвижность границ в результате неравномерного выделения примесей способствуют росту одних зерен за счет других.

Размер зерна после рекристаллизации определяется температурой рекристаллизационного отжига, его продолжительности, степени предварительной деформации, химического состава сплава, величины исходного зерна, наличия нерастворимых примесей и т.д.

Деформация, вызывающая скачкообразный рост зерен в процессе рекристаллизации, называется критической. Максимум на кривой обусловлен суммарным действием двух процессов: ростом отдельных зерен при критической деформации и образованием зародышей, их развитием при более высоких степенях деформации (рис. 47).

 

Рисунок 47 - Влияние температуры, продолжительности и степени деформации на величину рекристаллизованного зерна

Холодная пластическая деформация – это пластическое формоизменение металла, проводимое ниже температуры рекристаллизации металла. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла. Может применяться только к изделиям с малыми сечениями: проволоке, ленте, листам.

Горячая деформация – формоизменение металла, проводимое при температурах выше температуры рекристаллизации, сопровождающееся получением полностью рекристаллизованной структуры. Одновременно протекают два процесса: деформация и рекристаллизация. Упрочнение, обусловленное деформацией, почти полностью снимается рекристаллизацией. Горячая деформация широко применяется на практике для обработки давлением крупных поковок: штамповке, прокатке, ковке, прессованию.

Механизм горячей деформации подобен механизму холодной – дислокационно-сдвиговой. Однако есть свои особенности: 1 – плотность дислокаций растет слабо из-за их активной аннигиляции; 2 – значительные смещения одних зерен относительно других; 3 – создание новых дислокаций может происходить путем непосредственного сдвига у пограничных участков и создания экстраплоскостей; 4 – образование зубчатых границ; 5 – рекристаллизация отстает от деформации, можно сохранить наклеп путем быстрого охлаждения. ВТМО – сочетание высокой прочности и пластичности.