Материал: Теория обработки металлов давлением. Часть I. Физические основы пластической деформации металлов. Цеханов Ю.А., Иванов А.В

3. Пластическая деформация

3.1. Пластическое течение

Течение вещества является одной из форм движения мате­рии. Любое вещество можно рассматривать как систему кине­тических единиц. Кинетическими единицами могут быть атомы, молекулы, мицеллы, макромолекулы и их отдельные звенья. Если кинетические единицы тела занимают места устойчи­вого равновесия, отвечающие минимуму потенциальной энер­гии системы, то такое состояние кинетических единиц яв­ляется признаком механически ненапряженного (свободного) тела. Тепловое движение кинетических единиц при описании их механического состояния условно во внимание не принимается. Если кинетические единицы оставляют места устойчивого рав­новесия в результате какого-либо механического воздействия, то они тем самым переходят в активизированное состояние, ко­торое служит признаком напряженного тела. Может быть, явно напряженное тело, и скрыто напря­женное тело. Первым является тело, кинетические едини­цы которого возвращаются к местам их устойчивого равновесия, когда прекращается действие внешнего нагружения. Если активизированное состояние кинетических единиц возникает под действием внутренних взаимноуравновешивающихся сил, то такое тело является, скрыто напряженным ввиду отсутствия внешних (явных) признаков его нагружения.

В нагруженном или явно напряженном теле также следует различать два механических состояния кинетических единиц, зависящих от степени их активизации. Первое характеризует­ся такой степенью активизации кинетических единиц, при кото­рой последние только отклоняются от мест устойчивого равно­весия, но не преодолевают потенциальных барьеров. Внешним проявлением подобного состояния является упругая деформа­ция тела. Второе состояние характеризуется такой степенью ак­тивизации кинетических единиц, при которой последние, преодо­левая потенциальные барьеры, перемещаются из одних мест устойчивого равновесия в другие, причем это перемещение зависит от направления сил, приводящих кинетические единицы в активизированное состояние. Внешним проявлением направленного перемещения кинетических единиц является течение тела, потому напряженное тело, находящееся в этом состоянии, можно назвать текущим телом. Перемещение представляет необратимый процесс и имеет многообразные формы и отличительные особенности, зависящие от природы тел.

Если тело в результате механического воздействия необратимо изменяет форму и размеры и после прекращения этого воздействия в течение продолжительного времени сохраняет полученную форму и размеры, то такой вид течения вещества можно назвать твердым течением или пластической деформацией. Термины «твердое течение» и «пластическая дефор­мация», сокращенно «течение» и «деформация», в данном случае принимаются как равнозначные.

Твердое течение в свою очередь можно разделить на пластическое течение и вязкое течение. Для первого характерно упорядоченное перемещение его кинетических единиц, для второго—упорядоченное перемещение этих единиц. Таким образом, пластическая деформация является одним из видов течения вещества, которые характерен для твердых тел и высоковязких жидкостей. Например, некоторые естественные смолы, имеющие вяз-ость 10⁸—10⁹ пз, при 20 ° месяцами не изменяют заметно разме­ты и форму, которые они получили при механическом воздей­ствии при 20 °, хотя, в конечном счете, полученные пластической деформацией образцы теряют свою форму в результате медлен­ного течения смолы под действием собственного веса. Есть син­тетические смолы, имеющие примерно такую же вязкость, как указанные естественные смолы, в которых под действием давле­ния, вызвавшего пластическую деформацию, происходят химические реакции, ведущие к значительному отвердеванию тела. В результате полученные размеры и форма не изменяют­ся даже через несколько лет.

В то же время, относительно небольшие объемы некоторых металлических сплавов, находясь при температуре, несколько меньшей температуры их плавления, текут под влиянием собственного веса.

При изучении процесса течения полезно увеличить число признаков, устанавливающих грань между твердым телом и высоковязкой жидкостью. Обычно признаками разделения тел на твердые и жидкие служит наличие или отсутствие определенной температуры плавления и упорядоченность структуры. Различают упорядоченность ближнего и дальнего порядка. В жидкостях и телах аморфной модификации в пределах каждой элементарной ячейки, построенной также как в кристалле, часто соблюдается ближний порядок. Отличительным признаком твердого тела является упорядоченность дальнего порядка, характерная для кристаллов. Однако существуют и жидкие кристаллы. Возможно, что в области температур, несколько меньших температуры плавления, в металлическом веществе наблюдается скорее ближний, чем дальний порядок, т. е. вещество, не будучи еще расплавлено, приобретает уже некоторые особенности жидкого состояния. Сами термины «жидкое тело» и «твердое тело» говорят уже о различии реологического поведе­ния этих тел. Поэтому при разделении тел на твердые и жид­кие, кроме указанных признаков, полезно руководствоваться также реологическими признаками, к числу которых можно отнести следующие.

Рис. 3.1. Схематическое изображение строения

кристаллического (слева) и аморфного (справа) кварца

1.Тело является жидким, если оно под действием собственного веса принимает форму вмещающего его сосуда. Для высоковязких жидкостей промежуток времени, необходимый, для того чтобы принять форму, может быть весьма значительным. Время, необходимое для принятия формы, характеризует текучесть жидкости. Твердое тело, текущее под влиянием собственного веса, никогда не примет форму вмещающего его сосуда.

2.Тело является жидким, если при стремлении скорости течения тела к нулю предел текучести его при любой степени деформации также стремится к нулю. Если это условие не соблюдается, тело является твердым (с точки зрения учения о пластической деформации вещества).

Термин «механическое состояние тела» следует отличать от терминов «механическое состояние малого элемента сплошной среды» и «механическое состояние элемента тела». Под механическим состоянием малого элемента сплошной среды понимают его напряженное, деформированное и скоростное состояния, которые описываются соответствующими тензорами и принимаются одинаковыми для всех точек малого элемента.

В пределе малый элемент превращается в точку.

Под механическим состоянием элемента тела понимается совокупность механических состояний всех его малых элементов. Механическое состояние элемента тела описывается полями соответствующих тензоров.

Пластическое течение охватывает весь или часть объема нагружаемого тела. Объем, в котором происходит пластическое течение, называется очагом течения (деформации). В зависимости от условий нагружения напряженные, деформированные и скоростные состояния различным образам распределяются в очаге течения, который в соответствии с их распределением принимает ту или иную форму. Определить механические состояния очага течения — одна из важнейших задач учения о пластичности.

3.2 Механизмы пластической деформации

Рис. 3.2.1. Схема деформации скольжением

Обычно различают механизмы пластической деформации для монокристаллов.

Основными механизмами деформации монокристаллов явля-ются скольжение и двойникование.

Скольжение – параллельное (трансляционное) смещение тонких слоев монокристалла, при этом на поверхности кристалла появляются полосы – полосы скольжения (рис. 3.2.1.).

Толщина слоя обычно около 1 мкм. В монокристаллах плоскостями скольжения являются плоскости, имеющие наибольшую плоскость размещения атомов [для кубической гранецентрированной и объемно-центрированной плоскостей (111)].

Если исходить из предположения, что скольжение происходит путём одновременного смещения атомов в плоскости, то предел текучести на основе расчётов электростатического взаимодействия атомов друг с другом составит, например, для меди ≈ 5000 МПа, а в действительности τ = 1 МПа. Это объясняется тем, что скольжение происходит за счёт поочерёдного перемещения атомов, порядок расположения которых, был изначально несколько искажён. Местное искажение кристаллической решётки, при котором часть атомов, расположенных по одну сторону скольжения, имеет уменьшенные межатомные расстояния, а другая часть, с противоположной сторон ы плоскости, увеличенные межатомные расстояния – называют линейной дислокацией (рис. 3.2.2.).

Если искажение расположено по спирали, то такая дислокация называется винтовой.

Причиной возникновения дислокаций могут быть термические напряжения, внедрение примесных атомов, царапины на поверхности. Перемещаясь, дислокации могут выходить на поверхность, и тогда серия таких актов обеспечивает заметный сдвиг атомных плоскостей, образуя на поверхности кристалла видимую глазом полосу скольжения.

Однако движение дислокации может затормозиться, натолкнувшись на какой-либо другой дефект кристаллической решётки по мере перемещения, и тогда скольжение начинается в следующей плоскости.Это могут быть например, атомы примеси. Известно, что добавление к железу углерода ведёт к увеличению прочности. При быстром охлаждении углерод выделяется в виде микрозерен, образуя в решётке множество микроскопических нарушений. Дислокации уже не могут свободно передвигаться, и металл получает повышенную твердость. Торможением дислокаций, как правило, объясняется упрочнение металла при пластической деформации.

На (рис. 3.2.3) показано скопление дислокации в слабо деформированной нержавеющей стали выявленных при просвечивании тонкой фольги в электронном микроскопе с увеличением × 22 000. Винтовая дислокация представлена на (рис. 3.2.4). На (рис. 3.2.5) наблюдаются дислокации, скопление которых образовало полосу скольжения. Сетка и переплетение дислокации, являющихся одной из причин упрочнения после деформации представлены на (рис. 3 .2.6).

Рис. 3.2.4. Винтовая дислокация

Двойникование – симметричная переориентировка одной части кристалла относительно другой (рис. 3.2.7).

Наиболее благоприятной схемой для образования двойников является простой сдвиг. Замечено, что ударные нагрузки способствуют процессу двойникования. Этому же способствует и снижение температуры, при которой ведётся нагружение.

И дислокации и двойники можно наблюдать, используя методы обычной и электронной микроскопии.

На (рис. 3.2.8) показано образование двойников после динамического сжатия (удара) стального прутка. Светлый фон крупных ферритовых зерен пересечен двойниками, которые при малых увеличениях имеют вид темных линий. Деталь этого шлифа с большими увеличениями представлена на (рис. 3.2.9), где наблюдаются ферритные зерна с двумя системами двойников. Первой образовалась нижняя система и ограничила развитие второй.

Различают ряд других механизмов деформации.

Диффузионная пластичность – основной механизм деформации при температурах близких к плавлению. Механизм заключается в беспорядочном, но последовательном перемещении атомов из одного положения равновесия в другое по направлению силового поля напряжений.

Сложное скольжение. Этот процесс возникает обычно на завершающей стадии пластического деформирования. Вступивший в действие механизм обычного скольжения работает до определённой степени упрочнения. Далее возможно начало скольжения по другим кристаллографическим плоскостям. Это приводит к изгибу полос скольжения, их скручиванию. В результате внутри полосы скольжения возможно нарушение целостности, что в конечном итоге приводит к образованию микротрещин.

Блокообразование. Под влиянием пластической деформации монокристалл следами скольжения разбивается на ряд блоков и происходит образование поликристалла. Под действием внешних сил возможен поворот блоков относительно друг друга с образованием микронарушений на их границах. В зависимости от условий деформации эти нарушения могут залечиваться или накапливаться, переходя в макронарушения (трещины).

Пластическая деформация поликристалла. Формоизменение поликристаллического тела складывается из пластической деформации составляющих его зерён и их относительного смещения. Потому различают внутрикристаллитную и межкристаллитную деформацию поликристалла. Деформация отдельных зёрен поликристалла осуществляется в основном скольжением и двойникованием, как и для монокристалла, но так как зёрна ориентированы произвольно, то деформация будет возникать в них не одновременно. Сначала она возникает в тех зёрнах, у которых плоскости скольжения имеют наиболее благоприятную ориентацию и совпадают с направлением площадок, по которым действуют максимальные касательные напряжения (рис. 3.2.10).

Ясно, что максимальное значение τ будет при φ = 45 º.

Остальные зёрна в этот момент деформируются упруго.

(3.1)

Скольжение в зёрнах по площадкам главных касательных напряжений может проявляться в виде полос на поверхности металла. Это явление было впервые обнаружено русским металловедом Черновым Д.К. и получило название – линии Чернова. По ним можно составить представление о направлении действующих наибольших касательных напряжений.

На (рис. 3.2.11) представлены линии скольжения, образовавшиеся на поверхности горячекатаного листа в зоне фланца при вытяжке. Окалина отделилась от поверхности искривленной линиями скольжения (светлые участки). На (рис. 3.2.12) показана боковая полированная поверхность стального образца, сжатого с небольшой степенью деформации методу плоскими плитами. Линии скольжения начинаются от темных наиболее сильно деформированных зон. Вследствие закона парности касательных они образуют сетку и в центре образца, где возникает одноосное напряжение состояние сжатия они распространяются по траекториям под углом 45 º к оси образца, то есть соответствуют своим максимальным значениям.

По мере увеличения деформирующих сил касательные напряжения достигают величин, необходимых для начала пластической деформации в зернах с менее благоприятной ориентировкой. Напряжение, при котором в пластическую деформацию включилось преобладающее число зерен поликристалла, будет соответствовать пределу текучести.

На (рис. 3.2.13) показана картинка возникновения линий скольжения внутри зерен аустенитной стали после волочения деформацией 15 %.

В дальнейшем зёрна вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. Возникает, так называемая, полосчатость микроструктуры, образуемая микропустотами, неметаллическими включениями, неоднородностями состава. В дальнейшем возникает текстура деформации. Это преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей зёрен в одном направлении. Возникновение текстуры приводит к анизотропии свойств холодно деформированного металла.

На (рис. 3.2.14; 3.2.15, 3.2.16, 3.2.17) показана структура холодно катонного листа из малоуглеродистой стали со степенями обжатия соответственно 41 %, 88 %, 95 % и 98 %. На (рис. 3.2.14) просматривается начавшееся деформация в зернах металла. Они приобрели удлиненную форму в направлении прокатки, в самих зернах возникла сетка линий скольжения. На (рис. 3.2.15) видно, что волокнистость структуры усиливается, границы зерен исчезают, частицы включений раздробляются и вытягиваются в цепочку. Дальнейшее обжатие (рис. 3.2.16 и 3.2.17) характерно возникновением текстуры деформации волокнистого вида. Механические свойства такого металла вдоль волокон и поперек отличаются друг от друга на 20÷30%, что характеризует анизотропию деформации. Анизотропия свойств листового металла при последующей штамповке из него деталей пространственной формы (кузовные детали автомобиля, стаканы, глубокие емкости) может проявиться в виде трещин, неравномерных утяжин. Выравнить свойства металла, то есть снизить анизотропию возможно последующей термической обработкой, например, отжигом.

Рис. 3.2.14. Холоднокатаный лист из малоуглеродистой

стали. Обжатие 41 %

Рис. 3.2.15. Обжатия листа 88 %