Механизмы пластической деформации металлов

Под действием внешних сил атомы в кристаллических решет­ках смещаются от-

носительно равновесного положения. Однако это смещение не безгранично, и при достижении ими превыша­ющего расстояния между атомами в исходном состоянии ато­мы не возвращаются в исходное положение, а занимают новое равновесное положение, связь между атомами в этом случае не нарушается. В результате происходит пластическая деформация или остаточное изменение формы и размеров твер­дого тела.

В общем случае пластическая деформация в металлах осуществляется двумя путями: скольжением и двойникованием.

Скольжение происходит при сдвиге одной части монокрис­талла относительно другой. Сдвиги происходят по опреде­ленным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Эти плоскости и направления принято называть плоскостями и направлениями скольжения. Скольжение в кристаллической решетке происходит по плоскостям с наибольшей плотностью размещения атомов, а направлениями скольжения являются те направления, по которым расстояния между атомами имеют минимальную величину.

Скольжение по определенным плоскостям начнется тогда, когда касательные напряжения в них достигнут вполне опре­деленной критической величины, и осуществляется путем последовательного смещения атомов (отдельных или групп атомов) относительно других вдоль плоскости скольжения (рисунок 10, а).

Реальные кристаллы имеют места ослабленных связей меж­ду атомами. Это объясняется наличием несовершенств решет­ки. Несовершенства решеткиреальных металлических кристаллов обусловлены различными причинами. Это отсутствие в узлах решетки атомов, излишние атомы, внедренные между узловыми атомами и т.д. Особым видом несовершенства кристаллической решетки являются дислокации. Дислокациипредставляют собой линей­ные дефекты кристаллической решетки, имеющие значительную протяженность в одном направлении.

Под действием сдвигающих напряжений дислокация переме­щается вдоль плоскости скольжения. Для перемещения дисло­кации требуется меньшее усилие, чем для смещения атомов в решетке без дислокаций. Это объясняется тем, что дислока­ция перемещается на расстояние меньше межатомного. Для продолжения деформации необходимо перемещение других дис­локаций. Процесс пластической деформации сопровождается дополнительным возникновением дислокаций. В реальных недеформированных кристаллах количество дислокаций очень велико и достигает величины 10⁸ на 1 см² площади.

Таким образом, усилие, необходимое для пластической деформации кристалла, определяется двумя факторами: нали­чием дислокаций и возможностью их перемещения.

а б

Рисунок 10 – Схемы пластической деформации скольжением (а) и

двойникованием (б)

В некоторых металлах деформация происходит двойникованием. При этом часть кристалла переходит в положение, которое симметрично другой части кристалла (рисунок 10, б). Решетка деформированной части кристалла является зеркаль­ным отображением решетки недеформированной части. При двойниковании смещение составляет доли периода, причем все плоскости деформированной части кристалла сдвигаются относительно соседних плоскостей на одинаковую величину. Переход решетки в новое положение происходит почти мгновенно и часто сопровождается характерным потрескиванием. Двойникованием может быть получена незначительная степень деформации. Этот механизм пластической деформации сопутс­твует основному механизму – скольжению.

Пластическая деформация поликристаллов складывается из деформации зерен и их относительного смещения. Пластичес­кая деформация зерен представляет собой изменение их фор­мы и размеров, и их относительное смещение – перемещение и поворот относительно друг друга. В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно, которое до деформа­ции имело округлую форму, постепенно вытягивается в на­правлении растягивающих сил и получает вытянутую форму в направлении наиболее интенсивного течения металла. Опре­деленная ориентировка вытянутых в результате пластической деформации зерен называется полосчатостью микроструктуры (волокнистостью).

Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации оси зерен получают определенную преимущественную ориентировку вдоль деформации, т.е. некото­рое однотипное расположение зерен в металле. Эта преиму­щественная ориентировка называется текстурой деформации. Появление текстуры наблюдается при деформациях около 50 %(относительное изменение сечения к первоначальному) и достигает наибольшего совершенства с ростом деформации.

Текстура металлов, у которых зерна имеют одинаковую ориентировку, приводит к тому, что поликристаллический металл приобретает свойства, близкие к свойствам моно­кристалла. В этом случае поликристаллический металл ста­новится анизотропным, т.е. имеет неодинаковые свойства в различных направлениях.

Описанные выше процессы внутрикристаллитной деформации являются основными. В определенных условиях появляется смещение зерен относительно друг друга, т.е. будет наблю­даться межзереннаядеформация. Так как пограничные участ­ки зерен имеют значительную неоднородность по составу и искажение кристаллической решетки, пластический сдвиг на этих участках требует повышенной величины сдвигающего на­пряжения по сравнению с напряжением при сдвиге атомов в самом зерне. Таким образом, вблизи границ зерен располо­жены зоны затрудненнойдеформации. Наряду с этим на границе зерен могут быть микропустоты, скопления примесей в форме легкоплавких примесей, которые ослабляют связь между зернами. Т.е., металл вблизи границ может быть более прочным или менее прочным по сравнению с самим зерном.

Прочность границ зерен является необходимым условием прочности поликристалла. В случае слабой связи между зернами, прочность поликристаллического металла и его пластичность будут пониженными. Межкристаллитная деформа­ция является нежелательной, так как даже небольшое разви­тие ее может привести к разрушению металла.

Наклеп и рекристаллизация

Как было показано выше, изменение формы и размеров поликристаллического металла в результате пластической дефор­мации в той или иной мере связано с изменением формы от­дельно взятого зерна. Поэтому при пластической деформации металл претерпевает структурные изменения, что ведет к изменению механических и других свойств металла. В дефор­мируемом металле с увеличением степени деформации увели­чиваются его прочностные характеристики. Явление измене­ния структуры и увеличение механических свойств металла в процессе пластической деформации называется наклепом или упрочнением. Явление упрочнения в настоящее время объяс­няет теория дислокаций. Упрочнение – это увеличение сопротивляемости сдвигу, которое вызывается накоплением (повышением плотности) дислокаций при пластической деформации. Продвижение дислокаций по кристаллу затрудняется в связи со скоплением их у препятствий. Такими препятствия­ми могут быть другие дислокации, границы зерен и т.д. В результате плотность дислокаций значительно возрастает. Так, предельная плотность дислокаций в упрочненном металле составляет 10¹¹–10¹² на 1 см² площади. Кроме того, упрочнение вызывается также торможением дислокаций в связи с измельчением зерен, ис­кажением решетки металла, возникновением напряжений. Осо­бенно эффективными «барьерами» для дислокаций являются границы зерен.

В результате пластической деформации при низкой тем­пературе металл не только упрочняется, но также изменяются многие его свойства. Более интенсивно изменение свойств происходит в области малых деформаций. При боль­ших деформациях свойства изменяются в меньшей степени. Приме­нительно к механическим свойствам металлов следует отме­тить, что с увеличением степени пластической деформации характеристики прочности возрастают, а характеристики пластичности убывают.

Появление наклепа при деформации позволяет в широких пределах регулировать конечные свойства металлоизделий. Холодной пластической обработкой (прокаткой, волочением и др.) можно в 2–3 раза повысить предел прочности и увеличить предел текучести.

С другой стороны, упрочнение заметно увеличивает со­противление металла пластической деформации, а это увели­чивает усилия, необходимые при деформировании. Одновременно с этим наклеп вызывает понижение пластических свойств металла, что приводит к опасности образования трещин, расслоений и других дефектов при дальнейшей де­формации.

В наклепанном металле в результате пластической дефор­мации происходит искажение кристаллической решетки. Атомы в такой решетке стремятся к перестройке, приводящей к уменьшению ее искажений, т.е. стремятся к более устойчи­вому состоянию. При низких температурах подвижность ато­мов мала. С повышением температуры она увеличивается, на­чинают развиваться процессы, которые приводят металл к равновесному состоянию.

Различают следующие стадии процесса устранения наклепа при нагреве: отдых (возврат), первичная рекристаллизация или рекристаллизация обработки, собирательная рекристал­лизация или рост зерен, вторичная рекристаллизация.

Под отдыхом (возвратом) понимают частичное снятие на­пряжений и восстановление упруго искаженной кристалличес­кой решетки путем перемещения атомов на небольшие рас­стояния, при нагреве металла на относительно невысокие температуры (ниже температуры рекристаллизации). При отдыхе заметных изме­нений в микроструктуре не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение. В результате отдыха твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает.

При нагреве до достаточно высоких температур подвиж­ность атомов заметно возрастает, и происходят процессы ре­кристаллизации.

Рекристаллизацией называется процесс образования и роста новых зерен при нагреве наклепанного металла до оп­ределенной температуры (температуры начала рекристаллиза­ции). Этот процесс протекает в две стадии. Различают рекристаллизацию первичную (обработки) и собирательную.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании зародышей и росте новых

зерен с неискаженной кристалли­ческой решеткой. Зародыши новых зерен возникают у границ, и особенно в местах пересечения границ зерен, пачек скольжения двойников. В местах, связанных с наибольшими искажениями решетки при наклепе, происходит перемещение атомов, восстановление решетки и возникновение зародышей новых равноосных зерен. Вначале процесс протекает медлен­но, происходит зарождение центров кристаллизации, затем образуются мелкие зерна, которые растут и входят в не­посредственное соприкосновение друг с другом. Стадия пер­вичной рекристаллизации длится до тех пор, пока новые не­искаженные зерна не заполнят весь объем металла.

Собирательная рекристаллизация является второй стадией процесса рекристаллизации и заключается в росте образовавшихся зерен. При этом одни зерна растут за счет других, за счет перехода атомов через границы раздела. Про­цессы собирательной рекристаллизации могут совершаться и до полного завершения первичной рекристаллизации. Резуль­татом этого процесса может быть резкая неоднородность структуры по величине зерна.

Скорость рекристаллизации и характер конечной структу­ры зависят от многих факторов: степени предварительной деформации, температуры нагрева, скорости нагрева, ско­рости деформации, наличия примесей в сплаве и др. Основ­ными из указанных факторов являются степень предваритель­ной деформации и температура нагрева.

С началом рекристаллизации происходит существенное из­менение свойств металла, которое противоположно изменению свойств металла при наклепе. При повышении температуры происходит разупрочнение металла, понижается прочность и твердость, а также электросопротивление и другие свойства, которые повышаются при наклепе. В то же время увеличиваются пластичность, а также вязкость, теплопроводность и другие свойства по сравнению с наклепанным состоянием.

При обработке металлов давлением процессы упрочнения (наклепа) и разупрочнения (рекристаллизационного отжига) протекают одновременно. Эти процессы обусловлены условия­ми деформации (температурой, скоростью, степенью деформа­ции), происходят во времени, с определенными скоростями, а также зависят от природы деформируемого металла.

При холодной деформации главенствует упрочнение, а процессы разупрочнения (возврата и рекристаллизации) пол­ностью отсутствуют. В результате плотность и пластичность уменьшаются, металл охрупчивается, при высоких степенях деформации образуется текстура.

В результате теплой деформации рекристаллизация и разупрочнение проходят не полностью, структура металла может быть полосчатой (волокнистой) без следов рекристаллизации, а при значительной деформации наблюдается текстура деформации. Плас­тические свойства такого металла выше, чем металла, деформированного при отсутствии возврата, а прочностные свойства несколько ниже.