Особенности пластической деформации металлов

При ОМД используется такое свойство металла как пластичность, т. е. способность его деформироваться под действием внешних сил. Наряду с реализацией высокой пластичности при ОМД стремятся также снизить сопротивление деформированию путем нагрева обрабатываемого металла.

В зависимости от температуры деформации различают горячую и холодную деформацию. Горячая деформация происходит при полном разупрочнении, т. е. когда полностью успевают пройти явления возврата и рекристаллизации. Возврат – это снятие остаточных напряжений, а рекристаллизация – превращение деформированных вытянутых зерен при нагреве в равноосные.

Холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом). При этом зерна металла вытягиваются, появляются дополнительные искажения кристаллической решетки, повышаются прочностные характеристики металла при снижении пластичности.

Для получения заготовок, полученных обработкой давлением важное значение имеет пластичность. Именно это свойство различных металлов дает возможность получать различные заготовки деформированием. Деформацией называется процесс изменения формы и размеров тела (или части тела) под действием внешних сил. Различают деформацию упругую и пластическую.

Упругой называется деформация полностью исчезающая после прекращения действия (снятия) вызвавших ее напряжений. При упругом деформировании происходит незначительное по величине изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла. При снятии напряжения в результате действия сил взаимного притяжения атомов, последние возвращаются в исходное положение и деформация снимается.

Пластической деформацией называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. Получение деталей обработкой металлов давлением основано на пластическом деформировании.

Пластическая деформация может осуществляться скольжением одних атомных слоев относительно других, в пределах одного кристалла, так называемым дислокационным скольжением, а также двойникованием и межзеренным скольжением.

Деформация дислокационным скольжением. В кристаллической решетке сдвиг или скольжение происходит по плоскостям и в направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов. Эти плоскости, называемые плоскостями скольжения, зависят от типа кристаллической решетки. Дислокация представляет собой одну «лишнюю» атомную полуплоскость в кристаллической решетке атомов. Дислокационное скольжение предусматривает последовательное перемещение небольшого числа атомов под действием напряжений в области дислокаций или иначе перемещения дислокаций. После выхода дислокации на поверхность верхняя часть зерна окажется сдвинутой на один межатомный период решетки.

 

 

Рис. 3.1 Схема деформации дислокационным скольжением

 

Рассмотренный дислокационный механизм (рис. 3.1.) схематически представляет физическую сущность пластической деформации, происходящей путем скольжения в единичной кристаллографической плоскости одного зерна. В каждом зерне скольжение (сдвиг) происходит последовательно, сначала по одной плоскости, затем по другой. Смещение одних частей зерна по отношению к другим его частям легко обнаруживается в микроструктуре в виде так называемых полос или линий скольжения. В пачке каждая плоскость скольжения смещается относительно другой на один параметр.

Пластическая деформация металлов, имеющих поликристаллическое строение, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией одного зерна. В поликристаллическом металле зерна имеют различную кристаллографическую ориентировку, кроме того, на процесс пластической деформации могут оказать влияние различные дефекты структуры: микропоры, различные включения и т.д. Зерна тоже будут оказывать при деформации влияние друг на друга и поэтому деформация не может совершаться свободно. Пластическая деформация начинается тогда, когда действующие напряжения превысят предел упругости. Сначала пластическая деформация может происходить в зернах с благоприятной ориентировкой, у которых плоскости «легкого скольжения» совпадают (или близки) с направлением максимальных напряжений (установлено – под углом 45 °), рис 3.2, а. Кроме сдвига, происходит и поворот смещенных частей зерна в направлении уменьшения угла между направлением плоскостей скольжения и направлением растягивающих усилий (рис. 3.2, г). Если до деформации металла зёрна были равноосные (рис. 3.2, б, в), то после деформации они имеют вытянутый вид (рис. 3.2, г, д).

Поворот зерна при деформации обусловлен тем, что свободному смещению частей зерна препятствуют соседние зерна. При повороте плоскостей скольжения сдвиг облегчается. В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно постепенно вытягивается в направлении растягивающих сил (рис. 3.2, д).

При дальнейшем увеличении напряжения деформация начинается и в других, менее благоприятных ориентированных местах. При больших степенях деформации зерна вытягиваются, и структура приобретает волокнистую структуру, которую называют текстурой деформации. В этом состоянии металл имеет резко выраженную анизотропию свойств: в направлении волокон металл значительно прочнее, чем поперек волокон.

Деформация двойникованием. Скольжение или сдвиг по определенным кристаллографическим плоскостям является основным, но не единственным механизмом пластической деформации. При некоторых условиях пластическое деформирование может также происходить путем двойникования. Двойникование заключается в том, что под действием внешних сил (напряжений) одна часть зерна оказывается повернутой относительно другой части, занимая симметричное положение (рис. 3.4).

 

 

 

Пластическое деформирование не только позволяет получить заданную форму и размеры детали (или заготовки для нее), но и оказывает влияние на механические и физико-химические свойства обрабатываемого (штампуемого) металла.

Так, в процессе деформирования металлов и сплавов без предварительного подогрева последние изменяют (увеличивают) свое сопротивление деформированию. При этом, как правило, прочностные характеристики возрастают, а характеристики пластичности- уменьшаются. Этот процесс называется упрочнением. Упрочнение наряду с увеличением твердости и прочности понижает пластические свойства.

Упрочнение при пластической деформации объясняется, во-первых, увеличением числа дислокаций при увеличении степени деформации. При увеличении числа дислокаций их свободное перемещение затрудняется взаимным влиянием. Во-вторых, упрочнение также вызывается торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажением решетки металла, возникновением напряжений. Границы зерен и блоков являются «барьерами» для дислокаций. Они также могут тормозиться дисперсными частицами, выделяющимися из твердого раствора при охлаждении или деформации.

На практике получили широкое распространение технологические операции обработки металлов давлением как «в холодную», так и «в горячую». «Холодным» процессом деформирования называют такой процесс, когда металл после деформирования имеет признаки упрочнения.

Около 10…15 % всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем в виде повышенной потенциальной энергии смещенных атомов, напряжений. Деформированный металл находится в неравновесном состоянии и поэтому металл будет стремиться к уменьшению искажений в кристаллической структуре. Это уменьшение возможно лишь при повышении температуры, так как при низких температурах подвижность атомов очень мала. С повышением температуры диффузия атомов увеличивается, и в структуре деформированного металла развиваются процессы, приводящие его к более равновесному состоянию. Это явление возврата.

Первая стадия возврата называется отдыхом, при этом уменьшается плотность дислокаций, частично снимаются напряжения. Продолжением возврата, или второй его стадией является процесс полигонизации, деление зерен на части или полигоны.

Дислокации до полигонизации находятся в беспорядочном состоянии. При полигонизации дислокации в результате скольжения и переползания взаимодействуют между собой и образуют «стенки», разделяющие зерна на полигоны (рис. 3.5).

 

Рис. 3.5 Схема полигонизации.

В полигонизованном состоянии кристалл обладает меньшей энергией по сравнению с деформированным, поэтому образования полигонов энергетически выгодный процесс.

При нагреве до высоких температур подвижность атомов увеличивается и происходит процесс рекристаллизации. Температура рекристаллизации составляет Т =0,4 Т _пл (где Т_пл—абсолютная температура плавления). Рекристаллизация - процесс образования и роста новых мелкодисперсных равноосных зерен при нагреве наклепанного металла. В результате этого процесса после горячего деформирования и охлаждения в металле отсутствуют признаки упрочнения.

Различают первичную рекристаллизацию и вторичную или собирательную.

Первичная кристаллизация заключается в образовании зародышей и росте новых зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Зародыши новых зерен образуются в местах деформированного металла, где кристаллическая решетка оказалась наиболее искаженной, т.е. в участках с большей накопленной энергией.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Наклепанный металл, находящийся в не устойчивом состоянии, стремится перейти в устойчивое, с образованием зерен с неискаженной кристаллической решеткой.

В местах, где кристаллическая решетка была наиболее искажена, при нагреве происходит перемещение атомов, восстановление решетки и образование зародышей. Образование зародышей возможно также в местах, где кристаллическая решетка оказалась наименее искаженной, куда стремятся атомы из соседних атомов с искаженной кристаллической решеткой.

Собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия. Рост зерен объясняется тем, что при наличии большого количества мелких зерен их общая поверхностная энергия очень велика и металл обладает очень большой поверхностной энергией. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньшей, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.