Деформация поликристаллов
На всех стадиях деформирования поликристаллического вещества наблюдается смещение, в том числе остаточное, атомов от своих равновесных положений в кристаллической решетке. Это ведет к неупорядоченному изменению ее параметров (искажению). Отдельные атомы могут совсем уходить из узлов решетки в междоузлия, становясь межузельными (дислоцированными) и образуя вакансии, что ведет к росту количества точечных дефектов кристаллической решетки.
При относительно малых деформациях (~1 %) атомная концентрация точечных дефектов достигает 10-5...10-4, что приводит к изменению ряда физических свойств, например, к увеличению удельного электросопротивления; в то же время упрочнения материала еще не обнаруживается.
Для характеристики деформации используют понятие «степень деформации» ɛ, которую определяют по формуле:
ɛ = (Fо-Fк)/Fо . 100 %, (4.24)
где Fо и Fк − площади сечения до и после деформации соответственно.
При увеличении степени деформации пластическая деформация поликристаллических веществ идет аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования, но формоизменение происходит в результате пластической деформации каждого отдельного зерна.
В каждом зерне плоскости и направления скольжения различно ориентированы по отношению друг к другу, и пластическая деформация первоначально начинается в наиболее благоприятно ориентированных по отношению к направлению воздействия зернах. Начинается перемещение дислокаций, вызывая сдвиг (скольжение) одних частей кристалла (зерна) относительно других вдоль определенных металлографических направлений, что приводит к удлинению зерен. При этом движущаяся дислокация не может переходить в соседнее зерно, так как в нем системы скольжения ориентированы иначе. Границы зерна тормозят движение дислокаций, но их скопление у границы создает напряжение и может упруго распространиться через границу, что приведет в действие источник возникновения дислокаций в соседнем зерне. Таким образом, происходит передача деформации от одного зерна другому.
В результате скольжения некоторых частей зерна (слоев) не только изменяется форма зерна, но в них измельчается блочная структура при увеличении угла разориентировки между блоками. Измельчение блочной структуры приводит к значительному увеличению числа дефектов кристаллической решетки (дислокаций, вакансий, межузельных атомов) и резкому возрастанию внутрикристаллитных и межкристаллитных напряжений, а следовательно, к деформационному упрочнению (наклепу). Однако повышение плотности дефектов кристаллической решетки затрудняет движение отдельных дислокаций.
Деформационное упрочнение поликристаллических веществ,происходящее в процессе пластической деформации, значительно превосходит аналогичное в монокристаллах.
Деформационное воздействие на материал можно охарактеризовать по стадиям. Стадийность прежде всего связана с различным типом дефектных самоорганизующихся структур. Так, в эволюции дислокационных структур при деформации материалов с ОЦК-решеткой выявлено три стадии структурообразования (рис. 4.17): I − диполи из краевых дислокаций, винтовые дислокации и скопления дислокаций; II − клубки дислокаций, границы блочной структуры; III – блочная структура.
![]() | Рис. 4.17. Трехстадийная кривая деформации в координатах «приведенное напряжение сдвига – деформация сдвига»: I – стадия легкого скольжения; II – стадия линейного упрочнения; III – стадия параболического упрочнения |
Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК-решеткой. Среди сплавов с ГЦК-решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, аустенитная сталь).
При достаточно больших степенях деформации изменение формы зерна в результате смещения и поворотов его отдельных частей приводит к тому, что все зерна в поликристаллическом веществе, например металле, вытягиваются вдоль направления деформирования, образуя ориентированную структуру (рис. 4.18). Само зерно как целое при этом не поворачивается в пространстве, а лишь изменяет размеры, удлиняясь. Микроструктура, получаемая в результате такой ориентации, при степени деформации более 40 % называется текстурой деформации (кристаллографической текстурой).
Рис. 4.18. Схемы изменения микроструктуры при объемной
пластической деформации поликристалла:
а − ɛ=0 %; б − ɛ=1 %; в − ɛ=40 %; г − ɛ=80 %
Текстура деформации − наличие преимущественной ориентации кристаллографических направлений и (или) плоскостей относительно направления деформации, приводящей к анизотропии свойств.
Характер текстуры зависит от кристаллического строения материала и вида деформации. При волочении, экструзии, вытяжке возникают так называемые аксиальные текстуры — у каждого кристалла определенное кристаллографическое направление оказывается параллельным направлению деформации. При прокатке получается более сложная текстура (текстура прокатки) − параллельно плоскости прокатки лежит определенная кристаллографическая плоскость, в которой вдоль направления прокатки ориентировано также определенное кристаллографическое направление.
Возникновение анизотропии физических свойств при образовании текстур деформации в поликристаллическом материале имеет большое практическое значение. Объемное пластическое деформирование, при котором создается магнитная текстура, используется, например, при производстве текстурованной электротехнической (трансформаторной) стали, сплавов для постоянных магнитов и др.
При большой степени деформации кристаллическое вещество переходит из стабильного (исходного) состояния в метастабильное. Структурные изменения, вызванные пластической деформацией, не являются устойчивыми и сохраняются только из-за малой подвижности атомов при низкой температуре. Температурное воздействие может восстановить структуру поликристаллических веществ такой, какой она была до деформации.
Деформационное упрочнение существенно влияет на величину физических свойств. Источником этого влияния являются 5...10 % энергии, запасенной материалом из энергии, затраченной на деформирование.Так, объемная пластическая деформация приводит к увеличению твердости, удельного электросопротивления (максимально до 6 %), коэрцитивной силы; возрастает склонность к коррозии и, наоборот, снижаются плотность, магнитная проницаемость и величина остаточной индукции ферромагнитных материалов; поверхностная – повышает твердость, сопротивление коррозии.
При наклепе увеличиваются прочностные характеристики и понижаются пластичность и вязкость (рис. 4.19). С увеличением степепени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются; такое состояние наклепанного металла является предельным — при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и предел прочности удается повысить в 1,5...3 раза, а предел текучести − в 3...7 раз при максимально возможных деформациях.
.
Рис. 4.19. Зависимость механических свойств металлов и сплавов
от степени деформирования
Упрочнение поверхностных слоев изделий в технике (ГОСТ 18296-72) прежде всего ориентировано на повышение долговечности деталей машин и оборудования, поскольку их разрушение в большинстве случаев развивается с поверхности. Наклеп поверхностным пластическим деформированием при толщине упрочненного слоя 0,1...0,25 мм повышает предел выносливости на 30...50 %, долговечность в 3...10 раз, сопротивление фреттинг-коррозии в 1,5...2 раза
Деформация полимеров
Полимеры в высокоэластичном состоянии способны к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках, так как их макромолекулы способны изгибаться. При этом макромолекулы в целом не перемещаются, но их отдельные сегменты (боковые группы) подвижны за счет их вращения в основной цепи вокруг связей. В частности, этим объясняется малая жесткость полимеров и их вязкоупругое поведение под нагрузкой, когда притяжение между молекулами преодолевается действием приложенных сил.
Для кристаллических полимеров (полиэтилен, полиамиды и др.) зависимость степени деформации от напряжения выражается линией, состоящей из трех участков (рис. 4.20).
![]() | Рис. 4.20. Зависимость удлинения образца кристаллического полимера от усилия деформации |
Первоначально (участок I) удлинение прямо пропорционально усилию. По достижении некоторого усилия (точка А) удлинение полимера увеличивается при неизменном усилии (участок II). Это вызвано резким местным сужением образца, образованием «шейки», распространяющейся на всю его длину. Затем наблюдается растяжение тонкого, но ориентированного образца вплоть до разрыва (участок III).
Деформация полимеров зависит также от скорости нагружения и температуры. При Т < Тст деформационные кривые кристаллических и стеклообразных полимеров подобны.
Полимеры с кристаллическим и стеклообразным строением могут быть ориентированы термомеханическим воздействием. При медленном растяжении таких полимеров, находящихся в высокоэластичном или вязкотекучем состояниях
(Т > Тст), макромолекулы и элементы надмолекулярных структур могут ориентироваться в силовом поле, приобретая упорядоченную структуру (текстуру). Различают одно-(волокна) и многоосную (пленки) ориентации.
В процессе ориентации возрастает межмолекулярное взаимодействие, что приводит к повышению Тст, снижению Тр и особенно к повышению (в 2...5 раз в направлении ориентации) прочности при сохранении достаточной упругости. Свойства материала получаются анизотропными.