Напруження, що виникають у металі при навантаженні. Пружна та пластична деформація. Вплив пластичної деформації на структуру і властивості металу

Якщо на деталь прикладати зовнішню силу, то в матеріалі деталі виникають напруги. Напруга - це сила, яка діє на одиницю площі перерізу деталі.

При прикладанні на зразок сили F, що розтягує його (рис. 4.1), у матеріалі зразка виникає напруга р, яку можна розкласти на нормальну(s) та дотичну (t) складові. Зростання нормальних напруг призводить до крихкого руйнування. Пластичну деформацію спричиняють дотичні напруги. Деформація може бути пружною, що зникає та пластичною, яка залишається після зняття навантаження.

Рис.4.1. Схема розтягання зразка

Рис.4.2. Діаграма розтягу

На діаграмі розтягу, яка показує залежність між напругою та деформацією (рис. 4.2), можна виділити дві ділянки, в межах яких ха- рактер цієї залежності різко відрізняється один від одного. Наділянці ОА, де спостерігається пропорційність між напругою та деформацією (прямолінійна ділянка кривої), має місце пружна деформація. Вище точки А порушується пропорційність між напругою s і деформацією e. Напруга вже викликає не тільки пружну, але й залишкову, пластичну деформацію, величина якої характеризується відрізком від штрихової лінії до початку координат (а0).

При пружній деформації під дією зовнішньої сили змінюється відстань між атомами в кристалічній гратці, а при знятті цієї сили атоми повертаються у вихідні положення внаслідок дії сил міжатомної взаємодії і деформація зникає.

Залежність між пружною деформацією e і напругою s виражається законом Гука:

σ = E∙ε, (4.1)

де Е = tg α - коефіцієнт, який називається модулем пружності.

Модуль пружності Е є важливою характеристикою металів, яка визначає міцність зв'язків між атомами в твердому тілі. Вона є анізотропною величиною і залежить від відстані між атомами у відповідних напрямках кристалічної гратки. Наприклад, для заліза в напрямку [100] модуль пружності Е становить 132000 МПа, а в напрямку [111] - 271000 МПа.

Пластична деформація є зовсім іншим, значно складнішим процесом. Вона може відбуватися двома шляхами: ковзанням або двійникуванням.

При ковзанні має місце взаємний зсув частин кристала по певним кристалографічним площинам і напрямкам, які утворюють системи ковзання. Площини та напрямки ковзання звичайно характеризуються підвищеною щільністю упакування атомів. Тому метали з ГЦК і ОЦК гратками мають значно більше систем ковзання і, відповідно, більш високу пластичність, ніж метали з ГЩУ граткою.

Механізм пластичної деформації. Раніше припускали, що при ковзанні одна частина кристала зсувається відносно іншої частини по площині ковзання на цілу кількість періодів гратки. Але розрахунки, які були виконані вперше Я.І.Френкелем на основі такого припущення, встановили величину критичної дотичної зсувної напруги τ для заліза приблизно на рівні 13300 МПа, що на декілька порядків більше дійсної зсувної напруги, яка для м'якого заліза становить близько 150 МПа. Отже, розглянутий механізм пластичної деформації не відповідає дійсності.

В основу сучасної теорії пластичної деформації були покладені наступні положення:

- ковзання розповсюджується по площині зсуву послідовно, а не одночасно;

- ковзання починається від місць порушень кристалічної гратки, які вже існують або виникають у кристалі при його навантаженні.

На рис.4.3 зображена схема дислокаційного механізму пластичної деформації.

У рівноважному стані (рис.4.3,а) екстраплощина РQ розміщується симетрично між сусідніми атомними площинами і дислокація нерухома. При навантаженні під дією напруги t екстраплощина зміщується ліворуч (Р¢Q¢) і одночасно нижня частина площини SR зміщується праворуч (S¢R¢). Відстань між атомними рядами Q¢ і R¢ стає меншою за відстань між рядами R¢ і М¢ . Тому зв'язок між рядами R¢ і М¢ розривається, а встановлюється між рядами Q¢ і R¢, тобто дислокація змішується на одну міжатомну відстань. Подальша дія напруги t призведе до подальшого руху дислокації (рис.4.3, б) і в кінцевому підсумку до її виходу із кристала і, як результат цього, верхня частина кристала зміщується відносно нижньої на один період гратки. Важливо при цьому відмітити, що для переміщення дислокації на один період необхідно одночасно розривати зв'язок тільки між двома рядами атомів, а не між усіма атомами, які розміщені вище та нижче площини ковзання, що, очевидно, можливо здійснити при значно меншому значенні зсувної напруги.

Рис.4.3. Схема дислокаційного механізму пластичної деформації

Приблизний розрахунок критичної зсувної напруги τ_кр при дислокаційному механізмі пластичної деформації можна виконати за формулою Пайерлса-Набарро:

(4.2)

де G - модуль дотичної пружності, Па (МПа); m - коефіцієнт Пуассона; а – відстань між атомними площинами, в яких відбувається ковзання, м; b - міжатомна відстань у напрямку ковзання (вектор Бюргерса дислокації), м.

Результати розрахунків τ_кр за формулою (4.2) близькі до величин, що спостерігаються на практиці. Це свідчить про те, що дислокаційний механізм пластичної деформації відповідає дійсності.

Деформація двійникуванням здійснюється також шляхом зсуву однієї частини кристала по певним кристалографічним площинам. При двійникуванні частини кристала зміщуються таким чином, що вони стають дзеркальними відбитками відносно площини двійникування. Величина деформації при двійникуванні мала. Тому основним видом деформації металів є деформація ковзанням.

а б в г

Рис.4.4. Схема пластичної деформації моно- (а, б) і полікристалів (в, г):а – зерно металу до деформування (e=0); б – зерно металу після деформування (e>0); в – мікроструктура полікристала до деформування (e=0); г – мікроструктура полікристала після деформування

(текстура деформації) (e>0).

При пластичному деформуванні полікристалічного тіла в зернах металу відбуваються багаточисельні зсуви за дислокаційним механізмом. Зі збільшенням обтискання хаотично орієнтовані кристали повертаються осями найбільшої міцності вздовж напрямку деформування, в результаті чого утворюється текстура деформації (рис.4.4, г).

Зерна заліза після обтискання на 90% мають довжину приблизно 70 мкм при товщині близько 3 мкм. Зі збільшенням ступеня деформації підвищується міцність і зменшується пластичність металу (рис.4.5) Рис.4.5. Залежність міцності (σ_в), твердості (HRB) та пластичності (δ) металу від ступеня деформації (e)

Зміцнення металу при холодній пластичній деформації називається наклепом. Зміна властивостей металу при пластичному деформуванні пов'язана зі збільшенням густини дислокацій ρ, яка може досягати значень до 10¹² см^-2. Зв'язок між границею текучості s_т та густиною дислокацій ρ описується залежністю:

σ_т = σ₀ + αGb√ρ , (4.3)

де s_о – напруга зсуву до зміцнення (після відпалу); a - коефіцієнт, який залежить від типу кристалічної гратки; G – модуль зсуву; b - вектор Бюргерса.

Наклеп металу супроводжується зміною також інших фізико-хімічних властивостей: знижується корозійна стійкість, підвищується електричний опір. У сплавів на основі заліза підвищується коерцитивна сила, знижується магнітна проникність.