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

Степень деформации

Рис. 4.1.3. Зависимость энергии остаточных напряжений

от степени деформации:

1 – общая энергия; 2 – энергия напряжений 1-го рода;

3 – суммарная энергия напряжений 2- и 3-го рода

Увеличение потенциальной энергии должно вести к увеличению сопротивления деформированию и к изменению физико-химических свойств поликристалла. Например, способность поликристалла к растворению в кислотах тем больше, чем больше величина связанной потенциальной энергии.

Четвертое явление, сопровождающее процесс пластической деформации поликристалла, это внутрикристаллитные и межкристаллитные нарушения целостности зерен и их границ.

Внутрикристаллитные нарушения в общем случае могут быть трех видов: а) нарушения, возникающие в полосах скольжения; б) нарушения, возникающие в плоскостях спайности в результате отрыва; в) нарушения, возникающие между блоками мозаики ввиду поворотов этих блоков в процессе формоизменения.

Все эти нарушения увеличиваются с развитием пластической деформации.

В результате внутрикристаллитных нарушений зерно измельчается и разрушается. Иногда зерно может разрушаться, сохраняя по внешнему виду как бы целую форму, благодаря окружению соседних зерен, но прочность его все равно понижена, так как оно разрушено.

Межкристаллитные нарушения заключаются в нарушении границ зерен вследствие изменения величины поверхности зерен, а также вследствие той или иной степени перемещения одних зерен относительно других.

При отсутствии разупрочняющих процессов, восстанавливающих нарушения, межкристаллитные нарушения в значительно большей степени способствуют разрушению поликристалла, чем внутрикристаллитные. Возможно, это обусловлено тем, что характер связей на границах зерен и между отдельными элементами зерна может быть различным.

Во всяком случае, небольшое развитие межкристаллитной деформации является началом разрушения поликристалла, а более или менее значительная степень межкристаллитной деформации приводит к полному его разрушению. Механизм разрушения поликристалла связан с постепенным накоплением межкристаллитных и внутрикристаллитных нарушений. Накопление этих нарушений начинается с первых стадий пластической деформации и увеличивается по мере ее развития. Однако понижающее влияние межкристаллитных нарушений на прочность и пластические свойства поликристалла может быть различным в зависимости от природы поликристалла. В одних случаях это влияние может оказаться заметным с самых начальных степеней деформации, а в других случаях может оказаться практически незаметным вплоть до разрушения. Большое значение имеет прочность границ зерен. При значительной прочности границ зерен межкристаллитная деформация весьма незначительна и основное изменение формы происходит путем внутрикристаллитной деформации, которая обычно сопровождается весьма медленным накоплением внутрикристаллитных нарушений, особенно при силовых схемах трехосного сжатия. В результате разрушение поликристаллов возникает только при весьма высоких степенях деформации, а в некоторых случаях при силовых схемах сжатия разрушение поликристалла не происходит даже при сколь угодно высоких степенях формоизменения. Например, электролитическую, поликристаллическую медь невозможно разрушить путем сжатия при комнатной температуре. Наоборот, при более слабых границах зерен межкристаллитная деформация развивается гораздо интенсивнее с увеличением степени деформации и это обстоятельство в значительной степени уменьшает степень деформации, при которой наблюдается разрушение поликристалла, во многих случаях определяемое даже как внутрикристаллитное разрушение. В случае слабых границ зерен межкристаллитная деформация играет весьма значительную роль и уже при малых степенях деформации происходит межкристаллитное разрушение поликристалла.

Поэтому характер кривых, отображающих изменение со степенью деформации внутрикристаллитной и межкристаллитной прочности, должен зависеть от природы поликристалла. Понижение в результате пластической деформации таких физических свойств, как плотность и электропроводность, очевидно, связано с внутрикристаллитными и межкристаллитными нарушениями, которые ведут к образованию пор субмикроскопического характера.

Сумма описанных явлений, сопровождающих процесс изменения формы поликристалла, представляет собой сложное явление, именуемое упрочнением (наклепом). Основные признаки этого сложного явления следующие:

а) в процессе деформации по мере увеличения ее степени происходит изменение формы кристаллитов посредством их вытягивания в направлении главных деформаций растяжения и преимущественно в направлении наибольшей из них;

б) ориентировка кристаллитов беспорядочная до деформации становится все более упорядоченной с увеличением степени деформации; это ведет к появлению текстуры деформации, т. е. к установлению определенных ориентировок в деформированном поликристалле и анизотропии свойств поликристалла;

в) в процессе деформации происходит искажение решетки кристаллитов, сопровождаемое накоплением связанной потенциальной энергии, обусловливающей появление остаточных напряжений;

г) в процессе деформации возникают и накапливаются внутрикристаллитные и межкристаллитные нарушения, понижающие прочность и пластические свойства поликристалла;

д) в процессе деформации (с увеличением ее степени) происходит изменение физических и механических свойств. Все механические характеристики, определяющие пластичность, с увеличением степени деформации понижаются, а все механические характеристики, определяющие сопротивление деформированию (пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочность и твердость) повышаются. Кривая истинных напряжений также непрерывно повышается с увеличением степени деформации. Развивающиеся внутрикристаллитные и межкристаллитные нарушения, кроме пластических свойств и прочности поликристалла (в смысле его сопротивления разрушению), вызывают также изменение физических свойств, например плотности и электропроводности. К изменению физических свойств ведут и накапливающиеся связанные искажения пространственной решетки, которые, например, повышают растворимость металла в кислотах и вообще понижают его химическую стойкость. Определенное влияние на изменение физических свойств должно оказывать также ослабление характера металлической связи, вызываемое повышением электронной плотности в междуузловом пространстве.

В результате анализа процесса упрочнения целесообразно различать следующие факторы упрочнения: механический (образование всевозможного рода повреждений и измельчение зерен), кристаллографический (образование текстуры) и физико-химический (изменение электронной плотности, искажение решетки, образование мелкодисперсных фаз и т. п.).

Кинетика процесса упрочнения рассмотрена на примере анализа деформации поликристалла, происходящей с полным упрочнением, так как в этом случае отсутствуют какие-либо сопутствующие процессы разупрочнения, скорость деформации при отсутствии заметного температурного эффекта практически не оказывает влияния на кинетику упрочнения.

Упрочнение имеет большое значение для технологических процессов изготовления металлических изделий, а также для формирования их конечных свойств. Упрочнение может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Так при холодной прокатке после каждого пропуска заготовки между валками повышается сопротивление деформации, металл упрочняется. Одновременно растет хрупкость, опасность возникновения трещин. Поэтому при достижении определенный степени сжатия производят отжиг металла, а затем, если необходимо, процесс продолжают. Отжиг требует затрат, но с другой стороны упрочнение повышает прочностные характеристики.

П ри операции вытяжки получать детали было бы невозможно если бы металл не упрочнялся. В зоне 1 толщина заготовки уменьшается, но отрывание донышка 2 не происходит, т.к. металл упрочняется, и это позволяет втягиваться в очаг деформации дополнительным порциям металла из

зоны фланца (рис. 4.1.4).

Поэтому слабо упрочняющиеся металлы, легко обрабатываемые другими методами, вытяжке подвергаются плохо.

5. Физический смысл кривой упрочнения

Графики, показывающие зависимость между сопротивлением пластической деформации и степенью деформации показываются кривыми упрочнения.

Обычно эти зависимости получают в результате испытаний на растяжение металлических образцов. На основании таких испытаний можно достаточно эффективно оценивать зависимость, между

σ_i и ε_i в области относительных деформации не превышающих 1, так как при больших деформациях в случае растяжения наступает разрушение.

Степень деформации при многих операциях давлением может быть значительно больше 1 и тогда стандартное испытание на растяжение не даст нужных данных о зависимости между интенсивностью напряжений и деформаций. В таких случаях применяют экстраполяцию кривой, или же проводят испытания на сжатие, позволяющих вести осадку со степенью деформации до 200 - 300 %.

Особенностью таких испытаний является необходимость максимального снижения трения между образцом и инструментом, так как в противном случае вместо схемы одноосного сжатия возникнет сложное объемное напряженное состояние и построение кривой, по таким испытаниям не будет отличаться корректностью.

Для снижения трения осаживаемых образцов используют такие приемы как: нанесение спиральной канавки, заполняемой густой смазкой, проточка неглубокой полости, также заполняемой перед осадкой смазкой, применение тонких прокладок из фторопласта или свинца (рис. 5.1, рис. 5.2). Возможна также осадка в обычных условиях до степени деформации 50 % с последующей вырезкой из деформированного образца нового, меньших размеров и с дальнейшей осадкой и вырезкой. Эти приемы позволяют достаточно точно построить кривые упрочнения металлов.

Рис. 5.1. Нанесение

спиральной канавки

на торцах образца

Характер кривых упрочнения для различных металлов различен и определяется сложными физико-механическими процессами, происходящими в структуре металла при его пластической деформации.

Наиболее интенсивное увеличение напряжения текучести наблюдается обычно на начальной стадии деформации (рис. 5.3).

В инженерной практике наибольшее распространение имеют кривые, получаемые из опытов на растяжение.

В зависимости от принятого показателя степени деформации различают кривые упрочнения первого, второго и третьего рода (рис. 5.4).

В кривых упрочнения первого рода напряжение текучести (σ_s ), дается в зависимости от относительного удлинения ε.

Чтобы построить кривую упрочнения любого рода, необходимо, прежде всего, получить индикаторную диаграмму усилие - абсолютное удлинение, а затем сделать пересчет усилий на рабочие напряжение, с одновременным вычислением соответствующих характеристик деформаций.

Рис. 5.4. Кривые упрочнения первого, второго и третьего рода

(f_т - текущая площадь)

Рассмотрим кривую упрочнения первого рода (рис. 5.5).

Напряжение текучести для любого момента деформации можно определить из соотношения:

, (5.1)

где

Усилие растяжения в любой момент времени оценивается зависимостью:

(5.2)