Напряжения и деформации. Дислокационная теория пластической деформации

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Деформация металлов — изменение их формы и размеровбез макроразрушения под действием внешней силы. Исходный ме­талл в виде слитка для получения заданной формы и размеров готового изделия подвергается сложной обработке, начиная с обработки давлением. Последняя основана на пластической деформации, которой предшествует упругая деформация.

Если к металлическому телу, один конец которого закреп­лен, приложить внешнюю, например, растягивающую силу,тов теле возникнут внутренние силы, направленные в сторону, противоположную действию внешней силы. Появление в теле внутренних сил необходимо для уравновешивания внешних сил. Взаимно уравновешиваться эти силы могут только при дей­ствии на абсолютно твердые тела. Поскольку таких тел в при­роде нет, то при действии внешней силы металлическое тело испытывает деформацию. Деформация осуществляется до тех пор, пока между внешними и внутренними силами не наступит равновесие.

Внутренние силы могут возникнуть также при различных физических и физико-химических процессах (например, при не­равномерном нагреве), как результат препятствия неравномер­ному изменению формы тела в каком-либо направлении; обычно таким препятствием является целостность деформируемого тела.

Появление в металлическом теле внутренних сил свидетель­ствует о том, что тело находится в напряженном состоянии. Под напряженным состоянием тела понимают состояние вынуж­денного отклонения атомов от положения устойчивого равнове­сия в элементарной кристаллической решетке, вследствие чего атомы стремятся вернуться к своим нормальным положениям.

Металлы могут деформироваться упруго (обратимо) и пла­стически (остаточно, необратимо).

Упругая деформация — это деформация, при которой металл полностью восстанавливает форму и размеры после прекраще­ния действия сил, вызывавших эту деформацию.

При нормальных условиях между атомами металлического тела действуют электростатические уравновешивающие силы притяжения и отталкивания. Такому положению равновесия от­вечает минимум потенциальной энергии кристаллической решётки. Если приложить к телу внешнюю силу, то равновесие внутренних сил нарушается. Для восстановления равновесия

атомы из положений устойчивого равновесия немного смеща­ются в ближайшие положения, не превышающие расстояния между соседними атомами (параметра решетки); при этом по­тенциальная энергия решетки увеличивается. В новом поло­жении атомов также достигается равновесие между внутрен­ними силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой—с другой. Как только устраняется внешняя сила, атомы занимают свои прежние места и между силами притяжения и отталкивания атомов вновь восстанавливаются равновесие и прежнее расстояние между атомами.

При одноосном растяжении или сжатии зависимость между относительной упругой деформацией ε и напряжением σ выра­жается законом Гука:

ε = σ /Е, где Е—модуль Юнга.

Упругая деформация сопровождается изменением объема тела. Так, при появлении упругой деформации, например при растяжении, в направлении действия внешней силы в перпен­дикулярном к ней направлении возникает упругая деформация противоположного знака, равная произведению коэффициента Пуассонаμ, на величину деформации. Из этого следует, что при вынужденном удалении атомов друг от друга в одном направ­лении в перпендикулярном к нему направлении атомы сбли­жаются.

Упругая деформация характеризуется двумя основными кон­стантами: модулем Юнга и коэффициентом Пуассона. При этом модуль Юнга является показателем, который характеризует сопротивление металла упругой деформации, а коэффициент Пауссона определяет относительное изменение объема металла.

При упругой деформации физико-химические свойства на­пряженного тела будут иными, чем ненапряженного. Так, ме­таллы, будучи подвергнуты упругой деформации, имеют мень­шую электропроводность и значительно большую растворимость, чем те же металлы в ненапряженном состоянии.

При достижении упругой деформацией величины, превышаю­щей предел упругости, наступает пластическая, или остаточная, деформация.

Пластическая деформация — это деформация, при которой металл под действием внешних сил необратимо изменяет, свою форму и размеры, т. е. деформируется без разрушения и сохра­няет новую форму и размеры после прекращения действия сил.

Пластическая деформация состоит в следующем. При при­ложении внешней силы к металлическому телу между отдель­ными кристаллитами (зернами) тела, а также по их кристалло­графическим плоскостям возникают сдвигающие или касательные напряжения. При достижении касательными напряжениями некоторой критической величины, зависящей от природы тела, они могут преодолеть сопротивление металлической связи дан­ного тела и вызвать либо внутренние необратимые перемещения в зернах по кристаллографическим плоскостям, либо пере­мещения зерен друг относительно друга. При этом пластическая деформация

происходит главным образом за счёт внутризёренных перемещений, а перемещения по границам зёрен происходят лишь постольку, поскольку зёрна, меняя форму ( когда перемещаются их части), изменяют своё расположение друг относительно друга.

Рис. 6.1. Микроструктура (Х900) технически чистого железа до деформации (а) и после нее на 9% (б), на 27 % (в) и схемы скольжения (г) и двойникования (б) припластическойдеформации.

Установлено, что при преобладании межзёренных смещений пластичность резко снижается и может на­ступить хрупкое разрушение металла.

Смещения в кристаллической решетке зерна осуществляются по определенным плоскостям и направлениям. В зависимости от особенностей этих смещений различают смещения скольжением и двойникованием. Плоскости и направления смещений соответственно принято называть плоскостями и направлениями скольжения и двойникования.

При рассмотрении микроструктуры деформированного чи­стого железа видны темные линии (рис. 6.1,6, в), которые пред­ставляют собой следы плоскостей скольжения (или двойнико­вания).

Рис. 6.1. Cхемы скольжения (г) и двойникования (б) припластическойдеформации.

В отдельных зернах следы смещений образуют систему па­раллельных или пересекающихся под определенным углом ли­ний. Рентгеноструктурным анализом установлено, что скольжения в кристаллической решётке происходят по плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью расположения атомов. Важной характеристикой этих плоскостей и направлений явля­ется то, что в них скольжение вызывается минимальным каса­тельным напряжением τ_кр. По другим плоскостям и направле­ниям, по которым атомы менее плотно упакованы, для осуществления скольжения надо иметь большую величину каса­тельных напряжений. Нормальное напряжение в процессе скольжения не участвует.

Деформация скольжения происходит тогда, когда в результате действия внешней силы Р на зерно (рис. 6.1, г) по плоско­стям скольжения, ориентированным к направлению силы под углами, отличными от 0 до 90°, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна друг относительно друга. Сдвиги скольжением происходят по тем кристаллографи­ческим плоскостям, в которых касательные напряжения дости­гают критической величины. Обычно эти плоскости расположены под углом, близким к 45° к направлению действия силы. Одновременно со сдвигом части зерен поворачиваются в на­правлении растяжения.

При_деформации двойникованием перемещение частей зерен друг относительно друга под действием касательных напряже­ний сопровождается изменением ориентировки кристалличе­ской решетки. Смещенная часть становится как бы зеркальным отражением неподвижной части кристалла (рис. 6.1,д). Двойникование наблюдается реже, чем скольжением, в частности, оно происходит в случае деформации при повышенных температурах, ударном действии нагрузок и при деформации металлов, имеющих гексагональную решётку. Пластическая деформация металлов осуществляется в основном за счёт скольжения. Двойникование в ряде случаев сопутствует деформации сколь­жением.

Видимые, линии скольжения при пластической деформации металла представляют собой полосы скольжения. Они отстоят одна от другой на расстоянии примерно 1 мкм, а расстояния между соседними атомными плоскостями выражаются величи­ной порядка 10^-4 мкм. Следовательно, в скольжении принимают участие блоки и пачки атомных плоскостей.

Полосы скольжения при пластической деформации нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой одновременный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни и тысячи раз превышаю­щих напряжения, при которых протекает реальный процесс деформации. Полосы скольжения наблюдаемые на микроструктуре чистого железа представляют собой результат последовательного перемещения атомов в определённой плоскости.

Процесс скольжения представляет собой перемещение дислокаций в кристалле. При сдвиге происходит нарушение ме­таллических связей в каждый данный момент времени только у тех атомов вдоль плоскости скольжения, где имеются раз­личные несовершенства кристаллической решетки (нарушения правильности ее строения).

Несовершенства кристаллической решетки связаны с рядом причины. В реальном кристалле все его частицы (электроны, атомы и ионы) находятся в движении: движутся оторванные от атомов коллективизированные . электроны, обеспечивающие металлическую связь; в колебательном движении около своих средних положений устойчивого равновесия находятся атомы и ионы; время от времени отдельные атомы или ионы отрываются от средних положений и перемещаются по кристаллу, застре­вая где-либо в кристалле и вызывая этим нарушение правиль­ности построения кристаллической решетки, или покидают кристалл (испаряются), оставляя свое место вакантным. Вы­шедший из равновесного положения атом называют промежу­точным, или дислоцированным, а место, оставшееся пустым в узле кристаллической решетки,—вакантным, или «вакан­сией». Процесс движения атомов, ионов и электронов продол­жается непрерывно, а вместе с ними движется и вакантный узел. Одни вакантные узлы, выходя на наружную поверхность или на поверхность какого-либо внутреннего дефекта, исчезают, другие вновь создаются. В результате в каждый данный момент времени в кристалле имеется какое-то количество вакантных мест, или застрявших атомов, вокруг которых возникают несо­вершенства кристаллической решётки .

Другой причиной несовершенства кристаллической решетки является присутствие в металлах примесей. При затвердевании металла из жидкой фазы в кристаллы попадают атомы примесей, которые могут образовывать твердые растворы внедрения или твердые растворы замещения. Атомы примесей (или атомы растворенного компонента) по своей физической природеиразмерам отличаются от атомов основного металла и вследствие этого вызывают искажения кристаллической решетки (см.рис. 4.10,в, г).

Кроме того, у границ зерен при кристаллизации и перекри­сталлизации наблюдается, неправильность внешней формы зёрен металла (см. рис. 4.7), а также различие в направлениях отдельных кристаллографических плоскостей в смежных зернах. Это приводит к тому, что пограничный слой на стыке между зернами имеет нарушения правильности взаимного расположения атомов (см. рис. 4.6). Особенностью строения этого пограничного слоя является также и то, что он обычно насыщен примесями и неметаллическими включениями. Это обусловли­вает появление внутренних и внешних поверхностей раздела между отдельными зернами, что вызывает искажение кристал­лической решетки. Количество нарушений правильного строе­ния кристаллической решетки в реальных кристаллах очень ве­лико. Подсчитано, например, что в 1 мм³ алюминия при 300 °С имеется примерно 6-10¹³ вакантных мест и 2-10¹⁷ атомов при­месей кремния в решетке алюминия (при содержании в алю­минии 0,3% Si); в указанном объеме существуют внутренние поверхности раздела по границам 10¹² блоков и внешние по­верхности раздела по границам 10¹³ зерен (линейные размеры зёрен приняты равными 100 мкм).

Рассмотренные и другие виды нарушений строения реального металла создают области искажений кристаллической

решетки, которые приводят к неравномерности протекания в металлах различных процессов, например, деформации.

При приложении деформирующей силы к поликристаллическому телу с несовершенным строением кристаллической ре­шетки в теле возникает одна или несколько плоскостей сколь­жения, вдоль которых перемещается дефект в атомном слое пу­тем передвижения друг за другом атомных рядов (рис. 5.2). В результате сдвигается верхний слой, а с ним и верхняя часть кристалла относительно другого, нижнего слоя на один атом­ный размер. При продолжении действия деформирующей силы обеспечивается перемещение следующего дефекта; при этом, как и ранее, передвигается часть кристалла еще дальше на один атомный размер и т. д.

Рис. 6.2. Схема перемещения атомов при движении дислокации на одномежатомноерасстояние

Подвижные дефекты кристаллической решетки, при переме­щении которых происходит смещение частей кристалла друг от­носительно друга, называют дислокациями.

Итак, пластическая внутризеренная деформация осущест­вляется благодаря действию касательных напряжений по опре­деленным плоскостям скольжения за счет последовательного смещения дислокации и атомов на расстояния, значительно пре­вышающие межатомные.

При нагружении поликристаллического тела внешней силой пластическая деформация сначала начинается в отдельных зер­нах с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей сколь­жения относительно направления действия силы, т. е. такой ориентировкой, при которой плоскости скольжения совпадают с площадками действия максимальных касательных напряже­ний, вызываемых внешней силой. По этим плоскостям сколь­жения происходит так называемое легкое скольжение. Сосед­ние зерна с менее благоприятной ориентировкой деформиру­ются только упруго и могут получить относительное смещение или поворот вследствие значительной внутризеренной деформа­ции благоприятно ориентированных зерен.

По мере увеличения деформирующей силы менее благо­приятно ориентированные зерна поворачиваются в направлении действия внешней силы. После стадии единичного (легкого) скольжения начинается стадия множественного скольжения, т. е. движение дислокации в двух и более системах плоскостей скольжения. Касательные напряжения, действующие в менее благоприятных плоскостях скольжения, достигают величины, необходимой для начала пластической деформации этих зерен. Смещения и повороты одних зерен относительно других приво­дят к межкристаллитной деформации. Продолжение действия внешней силы обеспечивает развитие пластической деформации обрабатываемого тела.