Упрочнение при холодной пластической деформации.

С увеличением степени пластической деформации увеличиваются все показатели сопротивления деформированию: пределы упругости, текучести, прочность и твердость металла. Одновременно снижаются показатели пластичности (рис. 48). Под пластичностью будем понимать способность металла к формоизменению без разрушения.

Прочность и твердость

свойства Пластичность и ударная вязкость

степень деформации %.

Рис.48

Например для Ст 3 при e = 70% увеличение прочности (σ_в) наблюдается примерно в два раза, с 50 до 95 кг/мм², а относительное удлинение d понижается примерно в 15 раз, с 30 до 2%.

Совокупность явлений, связанных с изменением механических характеристик и физико-химических свойств металлов в процессе пластической деформации, называется упрочнением (наклепом).

Упрочнение объясняется прежде всего тем, что с увеличением степени деформации на несколько порядков увеличивается число дислокаций. В отожженном металле число дислокаций составляет 10⁷ - 10⁸ на 1 см², в сильно деформированном - уже 10¹¹ - 10¹² на 1 см². При увеличении числа дислокаций их свободное перемещение сильно затрудняется взаимным влиянием, особенно на участках пересечения плоскостей скольжения, где дислокации «застревают», и около них скапливаются дислокации одинакового знака.

Особо эффективным барьером для дислокаций являются границы зерен, а т.к. при деформации происходит измельчение зерен и блоков, то увеличивается общая площадь границ, где происходит торможение дислокаций.

6.6. Напряжение текучести. Степень деформации. Кривые упрочнения

Механические свойства металла описываются диаграммами «напряжение– деформация», типовой вид которых для одноосного растяжения цилин-

дрического образца показан на рис. 49. При этом диаграммы могут быть построены в условных напряжениях (рис. 49, а) или в истинных напряжениях (рис. 49, б).

Степень деформации при испытании образца на растяжение определяется как относительное удлинение ,

либо как относительное сужение , где L₀ и L - начальная и конечная длина образца, F₀ и F – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца, см. рис. 50.

Степень деформации при испытании на сжатие (рис.51),:

и , где H₀ и H – начальная и конечная высота.

Условным напряжением называется отношение действующей силы к исходному сечению образца во всем интервале деформаций, вплоть до разрушения.

Истинным напряжением называется отношение действующей силы к

истинному значению площади поперечного сечения образца в каждый момент времени, учитывая изменение этой площади в процессе деформации. Так, например, при растяжении образца его сечение постоянно уменьшается,

а с некоторого момента образуется местная шейка, по которой и происходит разрушение.

Диаграмма на рис. 49,«а» имеет несколько характерных участков. При малых напряжениях наблюдается линейная зависимость деформации e от напряжения s ( участок ОА). Особенностью этого участка является то, что после снятия нагрузки форма и размеры образца восстанавливаются, т. е. деформация является упругой. Для металлов упругая деформация e_у < 1%. Напряжение в точке «А» называется пределом упругости s_у. На этом участке металл подчиняется закону Гука: s = Еe, где Е-модуль упругости материала.

За пределами упругой области деформация переходит в пластическую область (участок «АС»). Напряжение s_т, соответствующее началу пластического течения металла и появлению остаточной деформации, называется пределом текучести. При достижении этого напряжения деформация может возрастать без увеличения нагрузки. Площадка текучести (участок «ВС») наблюдается не у всех металлов.

Точка «Д» на диаграмме соответствует разрушению образца, а напряжение s_в в этой точке называется пределом прочности.

Диаграмма истинных напряжений (риса.49, б) имеет монотонный, постоянно возрастающий характер.

Зависимость величины истинного напряжения в пластически деформируемом теле от величины деформации называется кривой упрочнения. Кривые упрочнения строят по данным испытания образцов на растяжение или осадку.

Если в этих испытаниях имеет место линейное напряженное состояние, то напряжение текучести определяется как s = Р / F_и ,

где F_и - истинная площадь сечения образца в данный момент. Поэтому напряжение текучести (обозначается s_s) называют истинным, в отличие от условного предела текучести (обозначается s_т).

При испытании на растяжение линейное напряженное состояние существует лишь до начала образования шейки, после чего нарушается равномерность распределения деформаций, и напряженное состояние становится объемным. Поэтому построение кривой упрочнения для деформаций, больших, чем до начала образования шейки, затрудняется и возможно лишь с определенным приближением.

При испытании на осадку нет ограничения по величине деформации, однако необходимо исключить влияние контактного трения, чтобы напряженное состояние оставалось линейным. Л.А. Шофман предложил способ, исключающий влияние контактного трения при определении напряжения текучести. Суть способа состоит в том, что испытывается несколько образцов на осадку с различным соотношением d / h и определяется напряжение текучести s_и = Р/ F_и. путем экстраполяции зависимостей s = f (d / h) на абсциссу d / h = 0 при одинаковых степенях деформации (см. рис. 52). Для всех образцов отмечалось напряжение s_e1, соответствующее одной и той же степени деформации (например, e₁). Далее строилась функция s_e1 = f (d/h) и экстраполировалась на d/h = 0. Полученное истинное значение s соответствовало деформации e₁ (см. рис. 52).

d

h

d₁ / h ₁ d₂ / h₂ d₃ / h₃

s₁ s₂ s₃

s_e1

e

e₁ e₁ e₁

s_e1 при d / h =0 d₁/h₁, d₂/h₂, d₃/h₃

Рис.52

Кривые упрочнения подразделяют на кривые 1 и 2 рода. Это зависит от принятого показателя степени деформации.

Для кривых 1-го рода и , где e и Y изменяются от 0 до ¥.

Для кривых 2-го рода: и

где e и y изменяются от 0 до 1.

При испытании на растяжение зависимость s = f (y) можно выразить степенной функцией вида s_s = cyⁿ .

При y = y_ш , s_{s =} s_ш , где индекс «ш» показывает, что эти величины соответствуют началу образования шейки на растягиваемом образце.

Следовательно, с = и тогда .

Сила Р в любой момент растяжения до начала образования шейки

= ,

,

n - ny - y = 0, n (1-y) = y, . Для момента начала образования шейки ψ = .

Подставляя n в исходную формулу и заменяя в последней σ_ш через σ_в получим , следовательно .