Материаловедение. Деформация и разрушение в металлах

1. Материаловедение

Деформация и разрушение
в металлах

2.

Пластическая деформация и механические свойства сплавов
Управлять микроструктурой металлов и сплавов можно изменяя скорость
охлаждения (т.е. управляя Т), а также путем воздействия внешней
приложенной силы. При определенных значениях внешней силы в металлах и
сплавах может произойти деформация.
Деформацией называется изменение размеров и формы
тела под действием приложенных сил. Напряжения в случае
одноосного растяжения определяется как S=P/F, МПа или
кг/мм2. Сила P, приложенная к некоторой площади обычно
является не перпендикулярной к этой площади. Тогда
различают нормальные и касательные напряжения.
Нормальные напряжения подразделяют на растягивающие
(положительные) к сжимающие (отрицательные).
Различают временные напряжения - которые
исчезают после снятия нагрузки, и внутренние
остаточные напряжения - которые возникают
без действия внешней нагрузки.
Внутренние остаточные напряжения возникают
при быстром нагреве и охлаждении, при
быстрой
кристаллизации,
в
результате
структурных превращений в объеме сплава.

3.

Если после разгружения форма и размеры тела возвращаются к исходным,
деформация называется упругой. Упругая
деформация не вызывает
остаточных изменений в структуре и в свойствах материала.
Если после разгружения форма и размеры тела не возвращаются к исходным,
деформация называется пластической. При снятии нагрузки устраняется лишь
упругая составляющая деформации. При пластической деформации структура
и свойства материала изменяются необратимо.

4.

Существует два механизма пластической деформации.
1) Сдвиговой механизм - заключается в упорядоченном смещении отдельных
частей кристалла под действием внешних сил. Сдвиговая деформация
наступает почти одновременно с приложением силы. Она идет и при низких, и
при высоких температурах.
2) Диффузионный механизм - реализуется при высоких температурах (близких
к температуре плавления) и низких внешних нагрузках. При приложении к телу
внешней нагрузки самодиффузия идет направленно. В результате под
действием растягивающих сил тело удлиняется, а его поперечное сечение
уменьшается. Диффузионная пластическая деформация идет очень длительно,
она реализуется при постоянно приложенных напряжениях, величина которых
недостаточна, чтобы вызвать пластическую деформацию при кратковременном
действии.
Рассмотрим структурные изменения металла при сдвиговой деформации и ее
атомный механизм.
При температурах ниже 0,3…0,4 Тпл самодиффузия идет с пренебрежимо
малой скоростью. Деформацию в этом случае называют холодной в
противоположность горячей, которая проводится при температурах,
превышающих 0,3…0,4 Тпл.

5.

Структурные изменения при холодной пластической
деформации
При растяжении монокристаллов металлов силой Р
происходит относительное смещение (сдвиг) и поворот
отдельных частей кристалла, и он удлиняется. Такое
смещение происходит по плоскостям, называемым
плоскостями скольжения (сдвига).
Плоскости, по которым прошел сдвиг, выявляются на
полированной свободной поверхности или на шлифе в виде
прямых или волнистых линий скольжения. Если линия
прямая, это означает, что скольжение шло по одной
плоскости, если волнистая - по нескольким пересекающимся
плоскостям. Часто наблюдается, что линии скольжения
распределены в кристалле неравномерно, группы близко
расположенных линий скольжения образуют полосы
скольжения. При увеличении деформации количество полос
скольжения возрастает, причем в некоторых случаях между
ними в конце концов устанавливается примерно одинаковое
расстояние.

6.

Скольжение по какой-либо системе может происходить лишь под влиянием
напряжений, действующих в данной плоскости скольжения вдоль
направления скольжения (они называются скалывающими напряжениями).
Напряжения, нормальные к плоскости скольжения, сдвига по ней не
вызывают и не оказывают влияния на процесс скольжения.
Скольжение в действующей системе начинается при достижении
определенной величины скалывающего напряжения. Эта величина
называется критическим скалывающим напряжением кр. Величина кр
зависит от чистоты металла, наличия и расположения дефектов в решетке,
температуры.

7.

Из-за постоянства кр пластическая деформация
может начаться лишь при определенном значении
внешней действующей силы, которое зависит от
положения
возможных
систем
скольжения
относительно этой силы. Из схемы видно, что
величину
скалывающего
напряжения
,
вызывающего сдвиг, можно найти из уравнения
F
cos cos
A
Если деформировать поликристаллический металл возрастающей от нуля
силой F, то скольжение начнется не во всех зернах одновременно. В первую
очередь линии скольжения появятся в зерне, в котором система скольжения
расположена так, что в ней достигается кр уже при малом значении силы F. Из
уравнения видно, что скольжение начнется в начале в тех зернах, где
плоскость скольжения образует угол 45° с направлением действующей силы.
Увеличение внешней силы приводит к появлению линий скольжения в
остальных зернах.

8.

Характерно, что линии скольжения доходят только до границ зерен. В
соседнем зерне от места встречи линии скольжения с границей может пойти
новая линия скольжения, но уже в другом направлении - в соответствии с
ориентировкой решетки этого зерна. При больших степенях деформации в
поликристаллическом теле зерна вытягиваются, а отдельные линии
скольжения становятся неразличимыми.
При сильной деформации все зерна приобретают примерно одинаковую
кристаллографическую ориентировку. Такая предпочтительная ориентировка
зерен называется текстурой деформации.
Характер текстуры зависит от природы металла и от типа его решетки. В
некоторых металлах с одинаковой решеткой после одинаковой деформации
получаются разные текстуры.
Текстура характеризуется ориентировкой направления и плоскости кристалла
в теле.

9.

Металл в процессе пластической деформации упрочняется. Упрочнением
называется увеличение сопротивляемости деформации. Упрочнение при
пластической деформации называется наклепом.
На рис. пунктиром нанесена истинная кривая растяжения, дающая
зависимость истинного напряжения от удлинения . Из рисунка видно, что
для увеличения деформации истинное напряжение необходимо все время
повышать. Главным образом упрочнение вызывается увеличением плотности
дислокаций.

10.

Сдвиговая пластическая деформация может совершаться не только путем
скольжения.
Разновидностью
сдвиговой
деформации
является
двойникование, которое происходит при больших скоростях деформации и
низких температурах.
При скольжении соседние атомные
плоскости смещаются на расстояние,
кратное
целому
межатомному
расстоянию.
При двойниковании соседние атомные
плоскости сдвигаются на расстояния,
не кратные целому межатомному
расстоянию, причем эти расстояния
пропорциональны
удалению
Схема смещения атомов при скольжении и сдвигающейся плоскости от плоскости
двойниковании
двойникования.
Ориентировка
сдвинутой при двойниковании части
кристалла изменяется зеркально.
Двойникование начинается при больших скалывающих напряжениях, чем
скольжение, развивается скачкообразно и иногда сопровождается
потрескиванием (например, в олове). Часто двойникование происходит
одновременно со скольжением. Скольжение дает большую степень
деформации, чем двойникование.

11.

Влияние нагрева на структуру холоднодеформированного металла
Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства
металлов устойчива при температурах ~20оС. Переход металла в более
стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры
ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для
перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.
Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии:
возврат и рекристаллизацию. Возврат происходит при относительно низких
температурах (ниже 0,3 Тпл), рекристаллизация - при более высоких.
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не
сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла,
т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.
Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим
количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются
совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы.

12.

Возврат подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию.
Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а
полигонизация развивается лишь при определенных условиях.
Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата,
при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном
вакансий; в ряде металлов отдых включает также переползание дислокаций,
которое сопровождается взаимодействием дислокации разных знаков и
приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение
дислокации сопровождается также уменьшением остаточных напряжений.
Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает
плотность металла.

13.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого
кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают
путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл
разделяется на субзерна - полигоны, свободные от дислокаций.
Полигонизация наблюдается только после небольших степеней
деформаций. Полигонизация холоднодеформированного металла приводит
к уменьшению твердости и характеристик прочности. Блочная структура,
возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется
почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры
рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация
оказываются конкурентами.

14.

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь
после деформации, степень которой превышает определенное критическое
значение, которое называется критической степенью деформации. Если
степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при
нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2…8%).
Наименьшая температура нагрева, обеспечивающая
возможность зарождения новых зерен, называется
температурой рекристаллизации. Температура
рекристаллизации составляет некоторую долю от
температуры плавления металла: Трекр = Тпл
Значение коэффициента зависит от чистоты
металла и степени пластической деформации. Для
металлов технической чистоты = 0,3…0,4 и
понижается с увеличением степени деформации.
Уменьшение количества примесей может понизить
до 0,1…0,2. Для твердых растворов = 0,5…0,6, а
при растворении тугоплавких металлов может
достигать 0,7…0,8. Для алюминия, меди и железа
технической
чистоты
температурный
порог
рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и
450°С.

15.

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с
наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных
зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает
центров
рекристаллизации.
Между
центром
рекристаллизации
и
деформированной основой появляется высокоугловая граница.
С течением времени образовавшиеся центры новых зерен растут; при этом
границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла. Такая
стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией.
Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми
зернами всего объема деформированного металла.
По
завершении
первичной
рекристаллизации
происходит
рост
образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта
стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией.
Укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за
уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше
суммарная поверхность границ).

16.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный
при пластической деформации; металл приобретет равновесную
структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического
строения.
Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам
отожженного металла.
HB
10-15%
t
Схемы изменения твердости (а) и
пластичности (б) наклепанного металла
при нагреве: I - возврат; // - первичная
рекристаллизация; /// - рост зерна

17.

Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее в
зависимости от температуры.
Холодное
деформирование
проводят
ниже
температуры
рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп.
Горячее
деформирование
приводят
выше
температуры
рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно
протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не
устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это
достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла.
Например, горячее деформирование с высокими скоростями и
большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением
металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.

18.

Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит
в основном от степени пластической деформации и от температуры,
при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки
при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно
меньше, чем при повышении температуры нагрева.
Зависимость размера зерен от степени деформации и температуры
обычно демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации.
Зависимость размера зерна D
рекристаллизованного металла от
деформации
Диаграмма
рекристаллизации
технически чистого железа