Начальные сведения о пластической деформации и пластичности

Строение металлов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, то есть в них атомы расположены друг относительно друга в определенном порядке. Минимальная совокупность атомов, перемещением которой вдоль пространственных осей можно получить всю кристаллическую структуру, называют элементарной ячейкой. Металлы имеют три типа элементарных ячеек, схемы которых приведены на рис. 3.1.

а) б)

в)

Рис. 3.1. Схемы элементарных ячеек:

а - объемноцентрированная кубическая, б - гранецентрированная кубическая,

в - гексагональная плотноупакованная

При охлаждении расплавленного металла появляются центры кристаллизации. В кристаллах атомы занимают положение в соответствии с типом кристаллической решетки металла. Кристаллы растут быстрее в направлении плоскости с максимальной плотностью атомов. Образуются дендриты, то есть скелетные кристаллы, состоящие из ряда ветвей. Пока кристаллы разделены расплавом, их решетка может быть идеальной. При сближении кристаллов их рост затрудняется. Геометрически правильная форма искажается. Кристаллы приобретают форму грубо очерченных многогранников, называемых зернами.

На границах между зернами скапливаются более легкоплавкие элементы, неметаллические включения. Прочность и пластичность реальных металлов зависит не только от свойств зерен, но и от свойств границ между ними. Поперечные размеры зерен – несколько микрон (в 1 см³ содержится примерно 10¹² зерен) [5].

Под пластичностью понимают способность тела к необратимому изменению формы и размеров при обработке давлением без нарушения его целостности. Металл считается пластичным, если при прокатке или ковке в нем не возникло трещин, надрывов.

Количественно пластичность можно оценить величиной деформации, которую металл выдерживает без разрушения. При испытании образцов на осадку под пластичность понимают предельную степень деформации к моменту разрушения (рис. 3.2). Здесь и - соответственно исходная высота образца и высота в момент разрушения ( ).

При растяжении образцов под пластичность понимают относительное удлинение (рис. 3.3). Здесь и - соответственно исходная длина образца и длина в момент разрушения ( ). В опытах образцы

Рис. 3.2. Схема испытания образца на осадку (показано окончание деформации; точка А – место образования трещины)

Рис. 3.3. Схема испытания образца на растяжение:

1 – неподвижный захват испытательной машины; 2 – образец; 3 – подвижный захват испытательной машины; показано начало деформации

деформируют до разрушения (появления трещины). Значения и могут быть выражены в процентах. Тогда в формулах содержится умножение на 100%.

Пластичность зависит от марки металла. Для стали пластичность понижается с увеличением содержания углерода и легирующих добавок.

При холодной деформации пластичность для данной марки металла зависит от схемы напряженного состояния. Если преобладают сжимающие напряжения, то пластичность повышается; если растягивающие, то пластичность понижается. При горячей деформации пластичность зависит от температуры и скорости деформации. Пластичность повышается с ростом температуры и уменьшением скорости деформации.

Пластическая деформация – это процесс необратимого изменения формы и размеров тела. Пластической деформации всегда предшествует упругая, исчезающая после снятия нагрузки. Упругая деформация составляет менее 0,1-0,2%, пластическая же – десятки процентов (30 - 70%).

Постоянство объема металла при пластической деформации. Точные опыты показывают, что объемы металлической заготовки до и после пластической деформации совпадают с точностью до 1%. Это наводит на мысль, что пластическая деформация происходит за счет сдвига одних частей кристалла относительно других без заметного изменения объема [4].

Сдвиговую деформацию можно наблюдать при осадке образца в виде кубика с зеркально отполированными боковыми гранями (рис. 3.4). На гранях при пластической деформации появляется сетка линий. Наиболее отчетливо видны линии на образцах из монокристалла (промышленные металлы – поликристаллы). Линии – это следы на поверхности от взаимного сдвига тонких слоев монокристалла.

Рис. 3.4. Осадка кубика с полированными гранями

Поверхностями сдвига (скольжения) являются плоскости, наиболее упакованные атомами. Например, для объемноцентрированной кубической кристаллической решетки это плоскость АБВГ (см. рис. 3.1, а).