Напряжения и деформации в металлах

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Тело деформируется под действием приложенных к нему внешних сил или различными физико-механическими процессами, например, вследствие температурного воздействия или изменением объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях.
При этом в теле возникают внутренние напряжения. Напряжением называется отношение действующего усилия к площади поперечного сечения тела или образца σ = P/F.
Сила Р, действующая на некоторой площадке F, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают не только нормальные, но и касательные напряжения (рисунок ниже, а). В зависимости от направления действия силы нормальные напряжения подразделяют на растягивающие исжимающие.
Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин, внутренних дефектов металла, сквозных отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению и т.д. приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рисунок ниже, б). Пик напряжений (σk) тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения. Различают временные иостаточные напряжения.
Временные напряжения возникают под действием внешней нагрузки и исчезают после ее снятия, остаточные - остаются в теле после прекращения действия нагрузки.

Образование нормальных (σ) и касательных (τ) напряжений при приложении силы Р к площади F (а) и эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений (б)
σн — номинальное (среднее) напряжение (штриховая линия); σк — максимальное напряжение;

Внутренние напряжения могут возникать при неравномерном нагреве изделия вследствие неоднородного расширения металла в различных зонах. Эти напряжения называют температурными. Кроме того, напряжения возникают вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т. д. Их называютфазовыми или структурными. В зависимости от взаимно уравновешенных объемов различают напряжения I, II и III рода. Напряжения I рода уравновешены в объеме всего тела, напряжения II рода — в пределах зерна, а напряжения III рода — в объемах кристаллической ячейки. Все эти виды напряжений взаимосвязаны между собой и изменение микронапряжений III рода вызывает образование макронапряжений I рода. Деформирование материала может быть упругим и пластическим. Если после прекращения действия внешних сил изменения формы, структуры и свойств тела полностью устраняются, то такая деформация называется упругой. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла.
При возрастании напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, оставшаяся часть называется пластической деформацией. Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины. Схема упругой и пластической деформации металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рисунке ниже. Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу наименьшая Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наименьшая.

 

Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига
а - первоначальный кристалл; б - упругая деформация; в - увеличение упругой и возникновение пластической деформации; г - остаточная деформация; д - образование двойника; С - плоскость сдвига; D - плоскость двойникования;

Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему кольжения. В металлах могут действовать одна или несколько систем скольжения одновременно. Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации. Процесс скольжения не следует, однако, представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий, или синхронный, сдвиг (см. рисунок выше) потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения через весь кристалл приводит к сдвигу соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом на поверхности кристалла образуется ступенька. Обычно в одном месте выходит на поверхность кристалла группа дислокаций (~ 10...100). Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации. Дислокации, движущиеся в деформированном металле, порождают большое количество дислоцированных атомов и вакансий.