На структуру и свойства металлов

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические деформации остаются после окончания действия внешних сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. Механизм пластической деформации рассмотрим на примере деформации монокристалла. Пластическая деформация в монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое t_к.

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование (рис. 1).

При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, которая называется плоскостью скольжения или сдвига (рис. 1а). Скольжение – основной вид сдвига в металле и сплавах. Деформация двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (рис. 1б). Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью двойникования. При двойниковании атомные плоскости кристалла сдвигаются параллельно плоскости двойникования на разные расстояния. Часть кристалла, в которой в результате двойникования произошла переориентация кристаллической решетки, называют двойником деформации. По сравнению со скольжением, двойникование имеет второстепенное значение и его роль возрастает, когда скольжение затруднено. Механизм двойникования сложен и в дальнейшем не рассматривается.

Деформация скольжения развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образует систему скольжения.

Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние.

Пластическая деформация в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций (рис.2).

Рисунок 1 - Схемы пластической деформации скольжения (а) и двойникования (б)

Рисунок 2 - Схема перемещения краевой дислокации при скольжении

При постоянно действующем напряжении дислокация как бы по эстафете передается от одной атомной плоскости к другой, последовательно вытесняя при этом каждый соседний «правильный» ряд атомов. Процесс повторяется до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла и его верхняя часть сдвинется относительно нижней части на одно межатомное расстояние (рис. 2г). При этом на поверхности образуется ступенька в одно межатомное расстояние.

В плоскости скольжения обычно расположены десятки дислокаций. Их последовательное перемещение вдоль плоскости скольжения развивает процесс пластической деформации. Высота ступеньки, образующейся при этом на поверхности кристалла, увеличивается пропорционально числу дислокаций, выходящих на поверхность кристалла. Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.

В процессе деформации возникают новые дислокации и их плотность повышается от до .

Основная масса промышленных сплавов имеет поликристаллическую структуру. При деформации поликристаллов деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока деформация мала, порядка 1%, зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенной нагрузке. С ростом деформации различия в ориентации между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (рис. 3в).

Внутри зерна повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом (рис. 3г). Образуется так называемая текстура деформации – преимущественная ориентация зерен в направлении внешних действующих сил.

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства. Изменение свойств в результате пластической деформации называют наклепом. В основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде всего, повышение плотности дислокаций и, как следствие, их взаимное торможение при пересечении дислокаций. Движению дислокаций мешают различные препятствия – границы зерен, межфазные поверхности, дислокации, пересекающие плоскость скольжения. Через некоторые препятствия дислокации проходят, но при более высоких напряжениях. Такими препятствиями являются, например, пересекающиеся с плоскостью скольжения дислокации. Границы зерен являются непреодолимыми препятствиями, перед ними дислокации скапливаются. Каждое скопление дислокаций создает поле напряжений, отталкивающее приближающуюся дислокацию. Чем больше дислокаций в скоплении, тем сильнее отталкивание и тем труднее деформируется металл. Когда плотность дислокаций в скоплении достигает определенного значения, в этом месте зарождается трещина.

Рисунок 3 - Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации: а) ε = 0%; б) ε = 1%; в) ε = 40%; г) ε = 90%

Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (плотность дислокаций возрастает до 10⁹-10¹² см^-2), и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, s_в, s_0,2, s_упр) и понижаются пластичность и вязкость (рис. 4). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно.

Рисунок 4 - Зависимость механических свойств от степени деформации

С увеличением степени деформации предел текучести s_0,2 растет быстрее временного сопротивления s_в. Обе характеристики у сильно наклепанного металла сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление s_в удается повысить в 1,5-3 раза, а условный предел текучести s_0,2 в 3-7 раз.

С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, понижаются магнитная проницаемость и плотность металла. Наклепанные металлы легче коррозируют и склонны к коррозионному растрескиванию.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением (например, прокаткой, волочением, листовой штамповкой).

Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).