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

Каждое зерно поликристалла вследствие процесса скольжения по определенным кристаллографическим плоскостям изменяет свою форму и стремится получить определенную ориентировку кристаллографических плоскостей относительно направления деформирующей силы или характерных осей деформации. Изменение формы зерна и его кристаллографическая ориентировка в результате деформации зависят главным образом от схемы главных деформаций, в условиях которой осуществляется формоизменение данного зерна.

Структура поликристаллического металла оказывает свое особое влияние на кинетику процесса упрочнения. Характер структуры и степень ее неоднородности могут быть весьма различными. Для получения основных представлений о процессе упрочнения достаточно ограничиться полиэдрической структурой. В случае такой структуры поликристаллический металл представляет агрегат полиэдров — кристаллических зерен, каждое из которых состоит из однородных или разнородных атомов, образующих твердый раствор. Между зернами располагается межзеренное вещество, свойства которого обычно существенно отличаются от свойств основных зерен.

Межзеренное вещество представляет собой тонкие прослойки примесей, не растворившихся в зернах различных посторонних включений и легкоплавких составляющих, затвердевающих по­следними. Распределение по границам зерен поликристалла межзеренного вещества и его состав в различных местах зависит от условий кристаллизации, предварительной обработки, величины зерна и других факторов.

Полиэдрическая структура с разнообразной кристаллографической ориентировкой зерен отличается примерным равенством физических и механических свойств по любым направлениям и такая структура может быть названа квазиизотропной. Эта структура свойственна равновесному состоянию металла, получаемому в результате соответствующего отжига.

1

Рис. 4.1.2. Схематическое изображение строения границ

зерен в металлах [43]:

1 - выделившаяся молекулярная фаза;

2 - атомы примесей с переменной растворимостью

Особенностями полиэдрической структуры, существенно влияющими на кинетику упрочнения поликристалла, являются:

а) неоднородность зерен поликристалла, б) кристаллографическая ориентировка зерен, в) состояние границ зерен.

При рассмотрении неоднородности зерен необходимо учитывать геометрическую неоднородность (неоднородность размеров и формы), химическую неоднородность (неоднородность состава зерен) и механическую неоднородность (наличие или отсутствие тех или иных механических пороков, например трещин и т. п.).

В результате геометрической, химической и механической однородности зерна будут иметь место различные механические и физические свойства.

Существенное влияние на сопротивление пластической деформации поликристалла оказывает величина зерна. Величина зерна поликристалла несравнима с величиной монокристалла. Практическое применение обычно имеют поликристаллы с величиной зерна 1,0—0,01 мм и меньше. Рентгенографический анализ установил существование мельчайших кристаллов, например, для золота были установлены линейные размеры мельчайшего кристалла, равные около 18 А. Кристаллик такой величины состоит примерно из 100 элементарных ячеек, в которых насчитывается около 400 атомов. Кристаллики мартенсита могут быть еще меньше (10 —20 А). С уменьшением величины зерна сопротивление деформированию может возрасти в десять и более раз.

Основной причиной влияния величины зерна на сопротивление деформации являются поверхностные силы — силы поверхностного натяжения и силы, создаваемые влиянием окружающих зерен. И те, и другие повышают сопротивление деформации и тем в большей степени, чем больше отношение поверхности зерна к его объему, т. е. чем меньше зерно.

Силы поверхностного натяжения влияют на расположение атомов вблизи внешней границы зерен и тем самым создают искажение решетки в поверхностных слоях зерна. Поверхностные силы, создаваемые влиянием соседних зерен, также вызывают искажение решетки в поверхностных слоях зерна. Вследствие действия поверхностных сил вблизи границ зерен создаются зоны затрудненной деформации скольжения, в которых она задерживается. В поверхностных слоях нарушается правильное кристаллическое строение вещества. Поэтому в этих слоях имеется меньшая возможность для осуществления механизма скольжения, чем для механизма диффузионной пластичности, которая может возникнуть при соответствующих температурных условиях.

Таким образом, область затрудненной деформации, создаваемая поверхностными силами, повышает сопротивление пластической деформации поликристаллита.

Повышение сопротивления деформированию будет тем больше, чем больше относительная область затрудненной деформации. Относительная область затрудненной деформации, а, следовательно, и сопротивление деформированию будет тем больше чем мельче зерно. При этом за относительную область затрудненной деформации следует принимать площадь области затрудненного скольжения, отнесенную к единице площади сечения кристаллита в том месте, где его сечение является минимальным. Поверхностные силы, создавая проникновение области затрудненной деформации на определенную глубину, в большей степени повышают сопротивление деформации вытянутого кристаллита, чем сопротивление сфероидально кристаллита, имеющего равный объем с вытянутым. Поэтому в данном случае за критерий величины зерна целесообразно принимать не его объем, а минимальную площадь сечения кристаллита. Если поликристаллический конгломерат имеет различную величину зерна, то сопротивление деформации такого поликристаллита в целом будет выше сопротивления поликристалла, имеющего одинаковую величину зерна, равную средней величине зерен первого поликристалла. Причина этого заключается в следующем. При различном сопротивлении каждого зерна распределение напряжений будет неоднородным. Неоднородное распределение напряжений ведет к повышению сопротивления деформированию и понижению пластичности. Неоднородное распределение напряжений и его эффект будет тем больше, чем больше разница между величиной отдельных зерен. Иногда понижение пластических свойств поликристалла объясняют наличием крупных зерен. Это правильно только для хладноломких металлов. Для металлов, не обладающих свойством хладноломкости и имеющих достаточно прочные границы зерен, понижение пластических свойств наступает вследствие разнородности зерен по величине и свойствам. Особенно сильно может проявиться разнородность свойств зерен в двухфазных и многофазных системах. В этом случае наблюдается значительная неоднородность распределения напряжений, неизбежно сопровождаемая появлением дополнительных напряжений большой величины со всеми вытекающими последствиями (увеличенное сопротивление деформированию, пониженная пластичность и значительная величина остаточных напряжений второго рода).

Большое влияние на кинетику упрочнения оказывает ориентировка зерен в поликристаллическом конгломерате. В деформированном и в особенности отожженном металле ориентировка зерен может быть самой разнообразной.

Разнообразие ориентировки зерен усиливает неоднородность напряженного состояния. Если поликристалл имеет разнообразную ориентировку зерен, то следует различать наиболее и наименее благоприятно расположенные зерна. Для первых плоскость скольжения составляет с направлением деформирующей силы угол 45 °, а для вторых этот угол будет равен 0 или 90 °. При постепенном повышении внешней нагрузки касательное напряжение достигает критического значения, прежде всего в наиболее благоприятно ориентированных зернах, т. е. в таких, плоскости, скольжения которых образуют угол 45 ° с направлением деформирующего усилия. Если элементарная кристаллическая ячейка зерен поликристалла обладает только одной возможной плоскостью скольжения, то благоприятно ориентированных зерен, в которых может начинаться процесс пластической деформации, окажется мало. Соседние зерна, имеющие недостаточную величину касательного напряжения для начала скольжения вследствие менее благоприятной ориентировки и не могущие потому пластически деформироваться, будут препятствовать пластической деформации благоприятно ориентированных зерен. В результате взаимного действия благоприятно и неблагоприятно ориентированных зерен, возникает значительная неоднородность напряженного состояния, которая повысит сопротивление деформированию.

При этом проявляются дополнительные напряжения, уравновешивающиеся между отдельными зернами, которые после прекращения деформации остаются в деформированном поликристалле и рассматриваются как остаточные напряжения второго рода.

Наконец, деформация зерен, имеющих одинаковый угол плоскости скольжения с направлением действующей силы, но различно расположенных, может идти по различным направлениям соответственно их расположению. Это дополнительное обстоятельство будет еще в большей степени усиливать неоднородность напряженного состояния.

Таким образом, неоднородность напряженного состояния будет тем больше, чем больше разнообразие ориентировки зерен поликристалла и чем меньше в поликристалле наиболее благоприятно ориентированных кристаллов.

При наличии разнообразной ориентировки зерен поликристалла количество наиболее благоприятно ориентированных кристаллитов и количество наименее благоприятно ориентированных кристаллитов зависит от числа возможных направлений скольжения, которыми обладают рассматриваемые кристаллиты. Чем большим количеством возможных направлений скольжения обладают кристаллиты рассматриваемого поликристалла, тем меньше его сопротивление деформации и больше пластичность.

Это правило подтверждается на практике. В кристаллах с гексагональной решеткой деформация при комнатной температуре может происходить только в плоскости базиса по направлению одной из трех больших диагоналей шестиугольника (диагональная ось первого рода). Таким образом, имеются три возможных направления скольжения. В кристаллах с гранецентрированной решеткой при комнатной температуре имеются четыре фактически различные в отношении направления плоскости октаэдра. В каждой плоскости октаэдра скольжение может пойти по одному из трех направлений (направление малой диагонали куба [101], т. е. имеется двенадцать возможных направлений скольжения. Следовательно, в кристаллитах с гранецентрированной решеткой, соединенных в поликристалл, имеется в четыре раза больше возможностей (по сравнению с кристаллитами с гексагональной решеткой) для того, чтобы: а) при различной ориентировке число благоприятно ориентированных кристаллитов было максимальным, а число неблагоприятно ориентированных—минимальным, б) деформация каждого отдельного кристаллита происходила бы в том направлении, которое обеспечит наиболее однородное напряженное состояние. Поэтому пластичность поликристаллов, состоящих из кристаллитов с гексагональной решеткой, должна быть значительно ниже пластичности поликристаллов, состоящих из кристаллитов с гранецентрированной решеткой. Это подтверждается опытом.

Особо важное влияние на кинетику упрочнения оказывают границы зерен. Необходимо подчеркнуть, что связь зерен поликристалла осуществляется не столько электрическими силами взаимодействия одного зерна с другим, сколько чисто механически, так как выступы одного зерна входят во впадины другого зерна. Связь между зернами в этом случае должна быть очень прочной.

Прочность границ зерен — необходимое условие прочности по­ликристаллического конгломерата. При слабой связи между зернами прочность всего поликристалла будет невысокой, пластичность — пониженной. Основными причинами понижения прочности границ зерен являются следующие:

1. Наличие в межзеренном веществе достаточного количества легкоплавких составляющих или скопление их в отдельных местах поликристалла, если температура деформации такова, что эти составляющие находятся в размягченном или даже расплавленном состоянии. Кроме того, если межзеренное вещество будет иметь в значительном количестве хрупкие составляющие или будет представлять собой разнородную, недостаточно прочную прослойку, то это также понизит прочность границ.

2. Такое очертание границ зерен после кристаллизации или предварительной обработки, при котором будет ослаблено механическое сцепление зерен путем врастания или вхождения выступов одного зерна в другое.

3. Перемещение одних кристаллических зерен относительно других в процессе пластической деформации, например, вследствие невозможности одних зерен деформироваться пластически в то время, как другие зерна имеют эту возможность. Эти межкристаллитные перемещения будут вызывать разрушение границ зерен и тем самым понижать прочность поликристалла. Однако перемещение кристаллитов относительно друг друга нарушает прочность границ зерен только в том случае, если связь между зернами, нарушенная межкристаллитными перемещениями, не будет восстанавливаться путем схватывания рекристаллизации или химическим взаимодействием зерен между собой.

Целесообразно отличать процесс пластической деформации, происходящий без каких-либо признаков разупрочнения, от процесса пластической деформации, сопровождаемого в той или иной мере разупрочнением. Процесс пластической деформации при отсутствии каких-либо признаков разупрочняющих процессов может быть назван деформацией с полным упрочнением. Иногда этот процесс называют холодной деформацией независимо от температуры, при которой он происходит. Такое название следует из того, что для поликристаллических металлов этот процесс происходит при наиболее низких соответственных температурах, лежащих в пределах от 0 до 0,3 Т_пл. Основными механизмами пластической деформации при деформации поликристалла с полным упрочнением являются: скольжение, двойникование, междублочный механизм и межкристаллитный охрупчивающий механизм. В случае скольжения и междублочного механизма с развитием пластической деформации происходит накопление повреждений в следах скольжения и между блоками кристаллитов. Процесс пластического изменения формы при деформации поликристалла с полным упрочнением характеризуется следую­щими явлениями: а) изменением формы зерен, б) изменением ориентировки зерен и образованием текстуры, в) накоплением связанной потенциальной энергии, г) накоплением внутрикристаллитных и межкристаллитных повреждений.

Первое явление — изменение формы зерен происходит путем скольжения по определенным кристаллографическим плоскостям, путем двойникования или путем междублочных смещений. В общем случае наблюдаются все три указанных механизма. Однако основным механизмом изменения формы кристаллитов является скольжение. Изменение формы зерна определяется схемой главных деформаций, в условиях которой осуществляется деформация данного зерна. Форма зерен изменяется тем больше, чем больше степень деформации. Даже зерна, имеющие первоначальную форму, приближающуюся к сфероидальной, могут настолько вытянуться с развитием деформации, что превращаются как бы в растянутые нити и придают деформированной структуре волокнистый вид. Процесс изменения формы зерен при отсутствии разупрочняющих процессов сопровождается непрерывным увеличением сопротивления деформированию по следующим причинам:

1. Изменение формы зерен осуществляется главным образом благодаря процессу скольжения, который сопровождается повреждениями и искажениями решетки в полосах скольжения и вблизи этих полос, что ведет к увеличению сопротивления деформации.

2. Изменение формы зерна сопровождается разбивкой его на отдельные блоки, что может вести к измельчению зерна и образованию субструктуры. Это обстоятельство должно вызвать увеличение сопротивления деформации.

3. В процессе пластической деформации возможно вытягивание зерен в направлении соответствующей главной деформации растяжения. В результате площадь сечения зерен в плоскости, перпендикулярной к направлению вытяжки, уменьшается. Вследствие такого «измельчения» зерна увеличивается относительная область затрудненной деформации, что также должно вести к повышению сопротивления деформированию.

4 Изменение формы зерна при двойниковании также вызывает повышение сопротивления деформированию. Искажения кристаллической решетки и повреждения в полосах скольжения остаются после деформации. Поэтому необратимое изменение формы зерен поликристалла должно привести не только к повышению его сопротивления, но и к изменению физических его свойств и тем в большей степени, чем больше степень деформации. Можно считать, что изменение формы кристаллита при деформации поликристалла является одной из основных причин изменения его механических и физических свойств.

Второе явление, сопровождающее пластическую деформацию поликристалла, заключается в изменении ориентировки его зерен по мере развития деформации. Беспорядочно ориентированные до деформации зерна с развитием ее приходят в упорядоченное состояние в отношении ориентировки, стремясь к какому-то конечному положению по направлению деформирующей силы.

Причина упорядоченной ориентировки с развитием деформации вытекает из следующих двух положений.

1. Разнообразно направленные до деформации одноименные оси кристаллитов стремятся к параллельному положению, совпадающему с каким-то определенным направлением для каждой области поликристалла, в которой деформация может быть принята однородной

2. Кристаллографические оси отдельных частиц зерна, на которые последнее разделяется плоскостями скольжения, стремятся стать в определенное положение относительно оси, в направлении которой происходит наибольшая вытяжка зерна. Это явление носит геометрический характер и вызывается неизменяемостью направлений внешних сил в процессе деформации. Неизменяемость направления внешней силы при растяжении монокристалла, как известно, вызывает поворот плоскостей скольжения относительно оси растяжения. Подобное же явление наблюдается и при деформации поликристалла.

В результате создается определенная ориентировка зерен поликристалла, т. е. образуется текстура.

Характер ориентировки в деформированном металле зависит от характера схемы главных деформаций и от природы зерен, составляющих поликристалл.

Ориентировка тем резче выражена, чем больше степень деформации и чем однороднее деформированное состояние. Например, при волочении (ввиду неоднородной деформации) ориентировка кристаллитов на периферии несколько иная, чем в центре. При этом степень рассеянности кристаллографических направлений изменяется по сечению проволоки. Рассеяние направлений для магниевой проволоки в центральной зоне составляет около 5°. В слоях на периферии рассеяние больше и направление ориентирующей кристаллографической оси наклонено к направлению оси проволоки. Угол наклона увеличивается от центра к периферии и достигает максимума в слоях, лежащих вблизи поверхности. В самом же поверхностном слое угол наклона опять убывает. Угол наклона зависит от угла наклона волочильного отверстия и тем больше, чем больше этот угол. Такое изменение ориентировки при волочении объясняется неоднородностью деформированного состояния, в результате чего направление осей главных деформаций изменяется от центра к периферии. Образование текстуры влечет за собой следующие последствия:

1. По мере того, как ориентировка приходит в упорядоченное состояние, сопротивление деформации повышается. Это явление выражено тем резче, чем меньшим количеством возможных направлений скольжения обладают кристаллиты; особенно резкое повышение сопротивления при переходе от неупорядоченной ориентировки к упорядоченной наблюдается для гексагональных кристаллитов. При наличии гексагональных кристаллитов первыми деформируются наиболее благоприятно ориентирование кристаллиты, затем в деформацию вступают менее благоприятно ориентированные и т. д. Следовательно, сопротивление деформации непрерывно должно повышаться. Повышение сопротивления происходит в меньшей степени при гранецентрированных кристаллитах, для которых деформирующее усилие не может резко изменяться с изменением расположения кристаллитов имеющих двенадцать возможных систем скольжения.

2. Создание упорядоченной ориентировки ведет к накоплению связанной потенциальной энергии. Эта энергия остается в деформированном теле и проявляется в виде остаточных напряжении второго рода. Величина этих напряжений при прочих равных условиях будет тем больше, чем меньшим количеством возможных направлений скольжения обладают кристаллиты. Следовательно, и здесь на первом месте должны стоять гексагональные кристаллиты.

3. Создание упорядоченной ориентировки ведет к анизотропии механических и физических свойств поликристалла.

Третье явление, сопровождающее процесс пластической деформации поликристалла, заключается в увеличении связанной потенциальной энергии по мере увеличения степени деформации. В результате неоднородной деформации больших объемов поликристалла накапливается потенциальная энергия, обусловливающая появление остаточных напряжений первого, второго и третьего рода. Неоднородность деформированного состояния больших объемов поликристалла увеличивается с увеличением степени деформации и достигает максимума при некоторой степени, находящейся в пределах 0,2—0,3, если степень деформации определяется показателями, изменяющимися от 0 до 1. Начиная с указанной степени деформации, неоднородность деформированного состояния больших объемов уменьшается, вследствие чего уменьшается накопление потенциальной энергии, обусловливающей появление остаточных напряжений первого рода. Выравнивание деформированного состояния между большими объемами поликристалла ведет даже к уменьшению остаточных напряжений первого рода, и при больших степенях деформации, превышающих 0,5—0,6, эти напряжения получают сравнительно меньшую величину. По опытам, проведенным различными исследователями, величина продольных остаточных напряжений первого рода, возникающих при волочении, достигает максимума при степенях 0,2—0,3 снижается до нуля при степенях деформации 0,5—0,65 (рис. 4.1.3).