Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла

Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения трёх видов:

1) изменяются форма и размеры зёрен. До деформации металл имеет равноосную структуру. В процессе деформации зёрна вытягиваются вдоль плоскостей скольжения и структура становится волокнистой (рис. 3.7.) Кроме того, при большой степени деформации происходит дробление зёрен;

До деформации После пластической деформации

 

Рис. 3.7. Схема изменения формы и размеров зёрен при пластической деформации

 

2) после значительной деформации возникает преимущественная пространственная ориентация зёрен, которая называется текстурой деформации (рис. 3.8). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации [1]. Текстуру не следует отожествлять с волокнистой структурой. Волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии металла;

 

Рис. 3.8. Схема влияния деформации прокаткой на структуру

поликристаллического металла: зёрна вытягиваются вдоль

направления прокатки и возникает текстура (стрелки соответствуют

одному и тому же кристаллографическому направлению)

 

3) происходят изменения в субструктуре. Одновременно с изменением формы зерна происходит формирование субзёрен и увеличение угла разориентировки между ними. Возрастает плотность дислокаций до 10⁹ …10¹² см^–2.

С увеличением степени холодной деформации прочностные характеристики увеличиваются, а пластичность уменьшается. Это явление называют наклёпом или нагартовкой. Упрочнение металла при пластической деформации объясняется увеличением количества дефектов кристаллического строения. Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение новых дислокаций, в результате чего повышается сопротивление деформации и уменьшается пластичность металла. Металлы с ГЦК решёткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решёткой.

 

Разрушение металлов

 

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.

Разрушение может быть хрупким или вязким. Механизм зарождения трещин одинаков при хрупком и вязком разрушении. Чаще всего микротрещина возникает из-за скопления дислокаций перед препятствием (границы зёрен, всевозможные включения и т.д.).

При своем росте трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации. На создание этой зоны затрачивается дополнительная энергия (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема образования трещин

 

Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой размерами этой зоны. При вязком разрушении размеры этой зоны больше и на её образование затрачивается много энергии. Поэтому скорость распространения трещины небольшая. При хрупком разрушении зона пластической деформации небольшая и скорость распространения трещины достигает 2500 м/с. Поэтому хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.

С точки зрения микроструктуры разрушение может быть транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она происходит по границам зёрен. При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким [2]. Хрупкое и вязкое разрушения имеют различные изломы. После хрупкого разрушения излом кристаллический блестящий. Вязкое разрушение, как было отмечено выше, происходит после значительной пластической деформации, которая искажает форму зерен. Поэтому излом – волокнистый матовый.

Хрупкому разрушению способствуют следующие основные факторы: 1) понижение температуры; 2) повышение скорости деформации; 3) концентраторы напряжений; 4) структурные факторы (размер зерна, выделение хрупких фаз по границам зёрен и т.д.); 5) повышение прочности, как правило, увеличивает склонность к хрупкому разрушению; 6) размеры изделия, чем они больше, тем больше вероятность хрупкого разрушения.

Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью. Интервал температур, в котором происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому, называют порогом хладноломкости.

Для определения порога хладноломкости проводят сериальные испытания на ударную вязкость. Температура, при которой работают изделия из металлов, должна значительно превышать порог хладноломкости.