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 = (F_о-F_к)/F_о ^. 100 %, (4.24)

где F_о и F_к − 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 < Т_ст 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 > Т_ст), 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 Т_ст, снижению Т_р и особенно к повышению (в 2...5 раз в направлении ориентации) прочности при сохранении достаточной упругости. Свойства материала получаются анизотропными.