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. 3.3).

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. 3.4) 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. 3.5). На (рис. 3.6) наблюдаются дислокации, скопление которых образовало полосу скольжения. Сетка и переплетение дислокации, являющихся одной из причин упрочнения после деформации представлены на (рис. 3.7).

Рис. 3.5. Винтовая дислокация

Двойникование – симметричная переориентировка одной части кристалла относительно другой (рис. 3.8).

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. 3.9) 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. 3.10), 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. 3.11).

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. 3.12) представлены линии скольжения, образовавшиеся на поверхности горячекатаного листа в зоне фланца при вытяжке. Окалина отделилась от поверхности искривленной линиями скольжения (светлые участки). На (рис. 3.13) 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. 3.14) 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. 3.15; 3.16, 3.17, 3.18) показана структура холодно катонного листа из малоуглеродистой стали со степенями обжатия соответственно 41 %, 88 %, 95 % и 98 %. На (рис. 3.15) просматривается начавшееся деформация в зернах металла. Они приобрели удлиненную форму в направлении прокатки, в самих зернах возникла сетка линий скольжения. На (рис. 3.16) видно, что волокнистость структуры усиливается, границы зерен исчезают, частицы включений раздробляются и вытягиваются в цепочку. Дальнейшее обжатие (рис. 3.17 и 3.18) 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. 3.15. Холоднокатаный лист из малоуглеродистой

стали. Обжатие 41 %

Рис. 3.16. Обжатия листа 88 %

Рис. 3.18. Обжатие листа 98 %

По мере упрочнения внутризеренного вещества начинает проявляться межзеренная деформация. На границе зёрен существует переходный слой, который отличается отсутствием закономерного расположения атомов из-за взаимного сдавливания зёрен при их кристаллизации. Этот слой насыщен также атомами нерастворимых примесей. В этой связи смещение атомов в пограничных слоях зёрен затруднено, и возможности деформации в этой зоне (без создания особых условий) ограничены. Межкристаллитное вещество легко охрупчивается с образованием микротрещин. Межзёренные повреждения накапливаясь, приводят к разрушению материала.

Однако, межзеренные перемещения в особых условиях могут играть решающую роль в механизме пластической деформации поликристалла. Так, если деформация идёт при высокой температуре, то дефекты, возникающие по границам зёрен легко залечиваются за счёт вступления в действие механизма рекристаллизации.

Специфика деформации поликристалла приводит к таким явлениям как:

1. Упругое последействие. Объясняется это тем, что снятие нагрузки после деформации приводит к тому, что какая-то часть зёрен, деформированных упруго, восстанавливает свою форму, а в силу спаянности зёрен между собой это вызовет деформацию обратного знака в зёрнах получивших пластическую деформацию.

2. Релаксация напряжений – явление, заключающееся в понижении нагрузки, необходимой для поддержания постоянной деформации. Объясняется это тем, что силовое поле напряжений заставляет перемещаться дислокации в зёрнах, которые находятся на стадии упругого нагружения. Упругое противодействие их ослабевает, а следовательно, уменьшается величина напряжений, необходимая для поддержания постоянной деформации.

3. Упругий гистерезис – явление, когда на графике испытания образца линия нагружения (в координатах усилие-деформация) не совпадает с линией разгрузки, то есть образуется петля гистерезиса, характеризующая работу, выделившуюся в виде тепла. Это свойство металла, в основе которого также лежит взаимодействие «слабых» и «сильных» зерен, вызвано способностью гасить колебания, и является сложной функцией предела и модуля упругости, степени упрочнения, размерам зерен и т.д.

4. Эффект Баушингера - характеризуется тем, что образец предварительно деформированный до предела текучести, уменьшает значение сопротивления при последующем нагружении обратного знака. Объясняется это тем, что при нагрузке зерна с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения уже получившие пластическую деформацию, за счет снятия упругих напряжений в соседних зернах, получают упругие деформации обратного знака, а поэтому потребуется меньшее напряжение при деформации обратного знака. Этот механизм также способствует и отмеченному ранее явлению гетерезиса.