Пластическая деформация металлов

Пластическая  деформация металлов

      Пластическая  деформация - сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла изменяются его  механические и физико-химические свойства. Рассмотрела физическую сущность процесса пластической деформации.

      Как известно, металлы и сплавы имеют  кристаллическое строение, характеризующееся  тем, что атомы в кристаллах располагаются  в местах устойчивого равновесия в строго определенном для каждого  металла порядке.

      При особых условиях охлаждения металл затвердевает в виде большого кристалла правильной формы, называемого монокристаллом. Строение монокристалла определяется соответствующей кристаллической решеткой.

      B промышленных условиях затвердевание  металла начинается одновременно во многих центрах кристаллизации. Поэтому после затвердевания такой металл состоит не из одного кристалла, а из большого числа прочно сросшихся друг с другом кристалликов неправильной формы, называемых кристаллитами или зернами. Металлы такого строения называются поликристаллическими.

      Рассмотрим  холодную пластическую деформацию монокристалла. Под действием внешних сил  в монокристалле возникают напряжения. Пока эти напряжения не превысили  вполне определенной для данного  металла величины (называемой пределом упругости), происходит упругая деформация. При упругой деформации атомы отклоняются с мест устойчивого равновесия на расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки под действием межатомных сил атомы возвращаются в прежние места устойчивого равновесия, форма тела восстанавливается, при этом изменений в строении и свойствах металла не происходит. Упругая деформация сопровождается незначительным обратимым изменением объема тела, которое, например, для меди при напряжениях сжатия 100 кг/млti2 (980 Мн/м2) составляет 1,3%.

      C увеличением внешней нагрузки  увеличиваются и отклонения атомов. При определенных для данного  металла напряжениях (пределе  текучести) атомы смещаются в  новые места устойчивого равновесия  на расстояния, значительно превышающие  межатомные. После снятия нагрузки форма монокристалла не восстанавливается, он получает пластическую деформацию.

      Необратимые смещения атомов в монокристалле  происходят в основном в виде скольжения и в меньшей степени, в виде двойникования.

      Скольжение  представляет собой смещение атомов в тонких слоях монокристалла. Смещения происходят по особым кристаллографическим плоскостям, причем расстояние между плоскостями скольжения составляет 100 200А. При определенных условиях следы скольжения можно наблюдать в виде полос на поверхности деформируемого металла.

      Двойникование, которое в основном происходит при  ударных нагрузках, состоит в  стройном смещении группы атомов относительно особой плоскости - плоскости двойникования.

      Смещенная часть монокристалла будет являться зеркальным отображением (двойником) недеформированной его части.

      Пластическая  деформация монокристалла сопровождается искажениeм кристаллической структуры, образованием осколков и возникновeниeм  остаточных напряжений в кристалле.

      Эти явления, затрудняя процесс дальнейшей деформации, вызывают изменения механических и физико-химических свойств исходного металла: прочность, твердость, электросопротивление и химическая активность увеличиваются, при oдноврeменном уменьшении пластичности, ударной вязкости, магнитной проницаемости и т. д.

      Совокупность  изменений механических и физико-химических свойств в результате холодной пластической деформации называют упрочнением (или  наклепом).

      Необходимо  иметь в виду, что при пластической деформации никакого изменения плотности металла практически не происходит, его объем остается постоянным.

      Как указывалось выше, применяемые в  промышленности металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение.

      При обработке давлением таких металлов происходит пластичecкая деформация отдельных зерен путем скольжения и двойникования (аналогично монокристаллу) и смещение их относительно друг друга. Деформация сопровождается раздроблением зерен и их удлинением в направлении наибольшего течения металла.В результате этого,последиий приобретает строчечную мелкозернистую структуру, отчетливо наблюдаемую под микроскопом (рис. 1, а).

      Одновременно  в зернах, так же как и при  холодной деформации монокристалла, искажается кристаллическая структура, oбpазуются  кристаллитныe осколки и возникают  остаточные напряжения. Рассмотренные явления вызывают упрочнение поликристаллического металла.

      B большинстве сплавов всегда присутствуют  нeметалличeские примеси (окислы, карбиды и т. д.), которые располагаются  между зернами в виде пленок  или отдельных шариков. При  обработке давлением эти включения  раздробляются и вытягиваются, придавая  металлу волокнистое строение (рис. 1, б), котоpoе при соответствующей обработке поверхности наблюдается невооруженным глазом.

      Величина  пластической деформации металлов ограничена их пластическими свойствами. При  некоторой, вполне определенной для  каждого металла, величине деформации в нем образуются микротрещины, которые при дальнейшем деформировании интенсивно развиваются и вызывают его разрушение.

      Рис. 1. Схемы скольжения (а) и двойникования (б) атомов при пластической деформации монокристалла

      Большинство металлов обрабатываются давлением в нагретом состоянии. Объясняется это тем, что с повышением температуры пластичность увеличивается, сопротивление деформации уменьшается (рис. 2).

      Если  пластическая деформация оказывает  упрочняющее влияние на металл, то повышение температуры вызывает его разупрочнение. При незначительном нагреве, увеличивающем подвижность атомов, в холоднодеформированном металле уменьшаются остаточные напряжения и, в некоторой степени, устраняется искажение кристаллической решетки. При этом форма и размеры деформированных зерен не изменяются, строчечная и волокнистая структура металла полностью сохраняются. В результате рассмотренных явлений, называемых возвратом, прочностные свойства металла уменьшаются, пластические - увеличиваются.

      Рис. 1. Микроструктура холоднодеформированного металла (а), волокнистое строение деформированного металла (б), микроструктура деформированного металла после рекристаллизации (в)

      Возврат у чистых металлов происходит при  температурах Тв = (0,25 ? 0,3) Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления металла. Сплавы же имеют температуру возврата более высокую, чем чистые металлы. Чем выше температура нагрева, тем подвижнее атомы и тем активнее протекает возврат. При температуре выше температуры возврата в деформированном металле происходит рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых равноосных зерен неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. В результате рекристаллизации остаточные напряжения снимаются, восстанавливаются исходные его свойства и, таким образом, полностью снимается упрочнение, полученное металлом в процессе его деформирования.

      Рис. 2. Влияние температуры на Рис.3. Микроструктуры металла

      пластичность ? и предел прочности коленчатых валов, изготовленных по разным

      при растяжении ?b стали. технологиям.

      Если  рекристаллизация ликвидирует строчечную структуру деформированного металла (рис. 1, в), то его волокнистое строение сохраняется, так как примеси  между зернами являются неметаллическими веществами и рекристаллизация в  них не происходит.

      Итак, обработка давлением металлов при повышенных температурах сопровождается одновременным действием как упрочняющих, так и разупрочняющих процессов. В зависимости от того, какие из этих процессов преобладают, обработка давлением подразделяется на холодную, неполную горячую и горячую деформацию. Холодная деформация характеризуется интенсивным упрочнением, строчечной микроструктурой и отсутствием каких-либо следов возврата и рекристаллизации. Прочность при холодной деформации резко увеличивается, а пластичность существенно уменьшается.

      При неполной горячей деформации рекристаллизация отсутствует, но протекает процесс  возврата. Чем больше скорость деформирования и ниже температура металла, тем  в меньшей степени происходит разупрочнение. Поэтому, необходимо помнить, что такой деформации нельзя подвергать малопластичные металлы и сплавы.

      При горячей обработке давлением  упрочнение, полученное металлом в  процессе пластической деформации, полностью  снимается рекристаллизацией, а  металл получает Равноосную микроструктуру, причем волокнистое строение сохраняется.

      Прочность и ударная вязкость волокнистого металла вдоль волокон выше, чем  поперек волокон и это свойство деформированного металла используется при разработке технологического процесса изготовления деталей. Заготовку для будущей детали деформируют таким образом, чтобы направление волокон совпадало с направлением максимальных растягивающих напряжений, возникающих в детали при работе, а сами волокна огибали контур детали и не перерезывались при окончательной механической обработке изделия.

      Например, в коленчатом вале, изготовленном  путем вырезания напуска 1 (рис. 3, а), рабочие напряжения в щеках 2 направлены поперек волокон. Наоборот, в вале, изготовленном путем гибки (рис. 3, б), волокна огибают контур детали и возникающие при работе напряжения совпадают с направлением волокон. Очевидно, что второй вал будет более прочным, чем первый