Упругая и пластическая деформация

Деформация металлов – это изменение их формы и размеров без макроразрушения под действием внешней силы. Деформация металла может быть упругой (обратимой) и пластической (необратимой).

Упругой или обратимой деформацией называется такая, при которой после прекращения действия силы тело восстанавливает свои первоначальные форму и размеры. Упругая деформация возможна лишь до определенного предела, после которого начинается пластическая деформация.

При нормальных условиях между атомами металлического тела действуют электростатические уравновешивающие силы притяжения и отталкивания. Такому положению равновесия отвечает минимум потенциальной энергии кристаллической решетки. Если приложить к телу внешнюю силу, то равновесие внутренних сил нарушается. Для восстановления равновесия атомы из положений устойчивого равновесия немного смещаются в ближайшие положения, не превышающие расстояния между соседними атомами (параметра решетки); при этом потенциальная энергия решетки увеличивается. В новом положении атомов также достигается равновесие между внутрен­ними силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой – с другой. При упругой деформации как только устраняется внешняя сила, атомы занимают свои прежние места и между силами притяжения и отталкивания атомов вновь восстанавливаются равновесие и прежнее расстояние между атомами.

Пластической деформацией называется такая, при которой после прекращения действия нагрузки тело не восстанавливает своей первоначальной формы и размеров. Пласти-

ческой деформации всегда предшествует упругая.

Более наглядное представление об упругой и пластической деформациях возможно при рассмотрении растяжения цилиндрического металлического образца. По результатам таких испытаний строят диаграммы, на горизонтальной оси которых откладывают относительные или абсолютные деформации, а на вертикальной – силы или напряжения (рисунок 7).

Рисунок 7 – Диаграмма растяжения образца в координатах

напряжение – деформация

При упругой деформации между напряжением и деформацией существует связь, которая определяется законом Гука:

, (1)

где – относительная упругая деформация, равная отношению величины упругой деформации к начальному размеру деформируемого тела;

– напряжение в поперечном сечении растягиваемого образца, МПа;

Е – модуль упругости, МПа.

Согласно рисунку 7 закон Гука соблюдается на прямолинейном участке ОА, где наблюдается прямолинейная зависимость между напряжением и деформацией. При снятой нагрузке деформация полностью исчезнет и образец примет первоначальные размеры. Наибольшее напряжение, при котором сохраняется прямолинейная зависимость между напряжениями и деформациями, называется пределом пропорциональности и обозначается σ_пц. Величина упругой деформации мала и обычно не превышает 0,1–0,2 %. При разгрузке образца от напряжений, превышающих предел пропорциональности, например от точки М на кривой, соотношение между напряжениями и деформациями будет определяться линией, параллельной ОА. В этом случае прямая зависимость между напряжением и деформацией нарушается и при полном удалении нагрузки исчезает только упругая часть деформации, а сохраняется остаточная деформация ε_ост.

Напряжение, которое при разгружении вызывает впервые появление остаточной деформации, является пределом упругости σ_у. На участке CD деформация увеличивается при постоянном усилии. Это напряжение называется пределом текучести σ_т, а участок кривой – площадкой текучести. У большинства металлов на кривой растяжения отсутствует площадка текучести, в таком случае за предел текучести принимают напряжение, при котором получается остаточная деформация в 0,2 %.

При дальнейшем увеличении деформации напряжение возрастает, отражая влияние

наклепа. Наибольшее напряжение на диаграмме, соответствующее наибольшей нагрузке, которую может выдержать растягиваемый образец, называется пределом прочности σ_в.

В обработке металлов давлением наибольшую важность представляет предел текучести. Металлы обрабатываются давлением в интервале напряжений между их пределом текучести и пределом прочности.

Упругая деформация имеет большое значение в процессах обработки металлов давлением и всегда предшествует пластической, т.е. с упругими деформациями связано появление напряжений, необходимых для осуществления пластической деформации.