Пластическая деформация

Упругая деформация

Упругая и пластическая деформация

Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и обратимое смещение атомов. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сбли­жаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического оттал­кивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вслед­ствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

При возрастании касательных на­пряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую назы­вают пластической, остается. При пластической деформации не­обратимо изменяется структура металла, а, следовательно, и его свойства.

Рис.29. Схемы упругой и пластической деформации металла под действием

напряжения сдвига t:

а - первоначальный кристалл; б - упругая деформация; в - увеличение упругой и появление пластической деформации, вызванной скольжением при нагружении, больше предела упругости; г - напряжение, обусловливающее появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д - образование двойника

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Схема упругой и пластической деформации металла с кубичес­кой структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 29.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоско­стям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее.

Это объясняется тем, что расстояние между соседними атом­ными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наимень­шая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем сколь­жения.

В металлах с ГЦК решеткой - g -Fe, Сu, Аl и других - сколь­жение протекает по плоскостям октаэдра (111) и в направлении диагонали грани куба [110]; а в металлах с ОЦК решеткой - a -Fe, Mo, V и других - скольжение наиболее легко осуществляется по плоскостям (110), (112) и (123) в направлении пространственной диагонали куба [111] (см. рис. 3); в металлах с ГПУ решеткой - Mg, Zn, Be и др. - скольжение идет по базисной плоскости.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них про­исходит во многих направлениях. Металлы с ГПУ структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим видам де­формации.

Процесс скольжения не следует представлять как одновремен­ное передвижение одной части кристалла относительно другой.

Рис. 30. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию

ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а - схема расположения дислокаций; б - г - этапы передвижения дислокации

и выхода ее на поверхность; t - напряжение сдвига; М - М - плоскость сдвига

Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряже­ний, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис. 30). При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений в направлении, указанном стрелкой, атомы вблизи ядра дислокации перемещаются справа налево на расстояния (1 ® 2; 3 ® 4; 5 ® 6; 7 ® 8; 9 ® 10; 11 ® 12; 13 ® 14; 15 ® 16; 17 ® 18), значительно меньшие межатомных. Атомы смещаются не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости. Дисло­кации могут переходить с одной плоскости скольжения на другую. Этот переход (переползание, восхождение) осуществляется добав­лением или удалением слоя атомов путем диффузии.

Перемещение дислокации в плоскости скольжения М - М через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (рис. 30, б - г), при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька. Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовав­шихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформа­ции возможны только вследствие того, что движение этих дислока­ций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Возможность образования дислокаций в процессе деформации была показана в 1950 г. одновременно двумя учеными - Франком и Ридом, но предсказал ее еще в 1940 г. Я. М. Френкель.

Механизм образования дислокации, по Франку и Риду, заклю­чается в том, что закрепленная в точках А и А₁ дислокация может под действием касательных напряжений испытывать перемещения, показанные на рис. 31. Линия дислокации, разрастаясь, превра­щается в дислокационное кольцо. В то же время обе концевые части спиралей, сливаясь, дают дислокацию А - А₁в исходном состоянии. Далее под действием напряжений процесс начинается снова, дислокация как бы возвращается в начальное положение и т. д.

Рис. 31. Схема последовательных I – V стадий действия источника Франка – Рида

Если напряжение t продолжает действовать, то из одного источника могут образоваться сотни дислокаций и прекратиться действие источника может лишь в том случае, когда на пути разви­вающейся петли дислокаций встретится препятствие - новые системы дислокаций, частицы избыточных фаз, границы зерна и т. д.

На начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществляется движением дислокаций по одной системе плоско­стей - стадия легкого скольжения (рис. 32).

Рис. 32. Кривые деформационного упрочнения моно- и

поликристаллического металла с ГЦК решеткой:

1 – монокристалл; 2 – поликристалл

Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значи­тельного роста действующих напряжений (стадия I деформацион­ного упрочнения). После этого начинается стадия множественного скольжения - движение дислокаций в двух и более системах. На этой стадии после значительной деформации дислокационная структура металла сильно усложняется и плотность дислокаций («лес» дислокаций) возрастает по сравнению с исходным состоянием на четыре - шесть порядков, достигая 10¹¹ - 10¹³ см^-2. Вследст­вие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление их движению сильно возрастает (рис. 32) и для их продвижения внешнее напряжение должно резко возрасти (стадия II деформа­ционного упрочнения). Под влиянием все возрастающего напряже­ния развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т. е. скольжение с переходом из одной разрешенной плоскости скольжения в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячеек. Наступает III стадия деформации, когда происходит так называемый динамический возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения (рис. 32).

Дислокации, движущиеся в деформированном металле, поро­ждают большое число дислоцированных атомов и вакансий.