Вивчення механізмів холодної пластичної деформації

Мета: Вивчити механізми процесів, що відбуваються в металі під час холодної пластичної деформації.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Метал під дією зовнішніх сил спочатку зазнає пружної, а потім пластичної деформації. В останньому випадку в металі виникають необоротні внутрішні зміни, оскільки на всіх стадіях деформування спостерігаються залишкові зміщення атомів від своїх рівноважних положень у кристалічній решітці. Це призводить до невпорядкованої зміни її параметру і до спотворення самої решітки.

Фізична суть процесу деформації. Розглянемо процеси, що відбуваються при деформації металу. Перед тим як з'ясувати їхню суть, потрібно зрозуміти, як деформація виявляється. Це найкраще видно із діаграми деформації (рис. 6.1), яка показує як змінюється деформація  в міру збільшення напруження σ. (Є діаграми, на яких деформація відмінна від поданої, але принципова суть процесів, що відбуваються при деформації металів, в усіх випадках однакова).

Рис. 6.1. Діаграма залежності деформації  металу від діючого напруження σ

Н а діаграмі можна виділити дві ділянки: ділянку ОА і ділянку АВ. Ділянка ОА демонструє пропорційну залежність деформації від напруження. Максимальне напруження, до якого зберігається лінійна залежність між навантаженням і деформацією, називається межею пропорційності і позначається σ_пц. На ділянці АВ спостерігається відхилення від закону пропорційності. Деформація завершується в точці В, у якій відбувається руйнування матеріалу. Максимальне напруження, яке витримує метал не руйнуючись, називається межею міцності і позначається σ_В. Явно виражена відмінність залежності деформації від напруження на ділянках ОА і АВ, очевидно, свідчить, що механізм деформації, який відповідає цим ділянкам, різний.

Ця відмінність така. Якщо усунути діючу на зразок силу, що викликала напруження σ < σ_пц, то залишкової деформації в зразку не виявляється: вона зникає, якщо зменшити до нуля діючу силу. Таку деформацію називають пружною. Залежність між пружною деформацією  і напруженням σ виражається законом Гука

σ = Е ,

де Е – коефіцієнт (Е = tg α), що називається модулем пружності.

Кристалічна будова металів характерна тим, що атоми в кристалах розміщуються в місцях стійкої рівноваги у цілком певному для кожного металу порядку (рис. 6.2, а). При пружному деформуванні відбувається незначне (рис. 6.3), повністю зворотне зміщення атомів, або поворот блоків кристала. При розтягуванні тіла відстань між атомами зростає, а при стискуванні вона зменшується (рис. 6.2, б і в).

З

Рис. 6.2. Модель міжатомної взаємодії: а – початковий стан;

б - стиснення; в - розтягування

міщення атомів із положень рівноваги порушує баланс сил електростатичного притягання або відштовхування. У зв’язку з цим зміщені атоми внаслідок дії сил притягання або відштовхування повертаються у вихідний рівноважний стан. Спотворення решітки (її пружна деформація) зникає, тіло повністю відновлює свою форму і розміри. Якщо нормальні напруження досягають значення сил міжатомного зв’язку, то відбувається крихке руйнування шляхом відриву (рис. 6.3, в, г). Пружну деформацію викликають також незначні дотичні напруження (рис. 6.4, б).

Рис. 6.3. Схема пружної деформації

і крихкого руйнування під дією нормальних напружень: а - ненапружена решітка металу; б - пружна деформація; в, г – крихке руйнування в результаті відриву

Відзначимо, що і в разі пружної деформації початкова форма тіла відновлюється не миттєво, а через деякий час (який іноді вимірюється годинами і навіть днями). Це явище називається пружною післядією.

Рис. 6.4. Схема пружної деформації і пластичного руйнування під дією дотичних напружень:а - ненапружена решітка; б - пружна деформація; в - пружна і пластична деформація; г - пластична деформація, залиш-кові напруження зняті; д,е - пластичне руйнування в результаті зрізу

Важливою характеристикою пружних властивостей металів є модуль пружності. За фізич-ною природою вели-чина модуля пруж-ності може розгляд-датися як міра міцності зв’язку між атомами у твердому тілі. Це підтверджу-ється наявністю зв’язку між темпера-турою плавлення і величиною модуля пружності: чим вища температура плав-лення, тим більший модуль пружності металів.

При пластичній деформації у кристалічній решітці металу під дією дотичних напружень відбувається незворотне переміщення атомів (рис. 6.4, в). При незначних напруженнях (рис. 6.4, б) атоми зміщуються мало і після зменшення напружень до нуля повертаються у вихідне положення. При збільшенні дотичного напруження спостерігається незворотне зміщення атомів на параметр решітки (рис. 6.4, в), тобто відбувається пластична деформація, яка призводить до значного спотворення кристалічної решітки завдяки ковзанню одних атомних площин уздовж інших. У результаті порушуються попередні і встановлюються нові міжатомні зв’язки: атоми змінюють своїх сусідів (на відміну від пружної деформації, за якої міжатомні зв’язки не порушуються, і тому кожен атом залишається в оточенні своїх попередніх сусідів). При зміщенні двох сусідніх шарів відносно один одного на відстань, рівну подвоєному розміру елементарної комірки, сили взаємного притягання і взаємного відштовхування атомів знову врівноважуються (решітка знову набуває відповідної форми). У зв’язку з цим зникають пружні сили, здатні змістити атоми у вихідне положення. Ось чому з'являється залишкова (пластична) деформація. При цьому тіло не розділяється на окремі частини (рис. 6.4, г), тобто суцільність тіла при пластичній деформації не порушується. Але в результаті розвитку пластичної деформації може відбутися пластичне (в’язке) руйнування шляхом зсуву однієї частини кристала відносно іншої (рис. 6.4, д, е).

Варто зазначити, що в кристалічній решітці зсув (ковзання) відбувається вздовж площин і в напрямах з найбільш щільною укладкою атомів. Ці площини (напрями), що називаються площинами зсуву або ковзання, залежать від типу кристалічної решітки. У α-Fe, W, Mo й інших металів з ОЦК решіткою є 6 площин зсуву і в кожній з них по 2 напрями зсуву, і так звана система ковзання має 6 х 2 = 12 елементів зсуву. Метали з ГЦК решіткою (γ-Fe, Cu, Ni, Al і ін.) мають 4 площини з 3 напрямами ковзання в кожній, тобто 4 х 3 = 12 елементів зсуву. У Zn, Mg і інших металів з гексагональною щільно укладеною решіткою одна площина з трьома напрямами і, отже, 3 елементи зсуву. Чим більше елементів зсуву в решітці, тим вища пластичність металу.

Найбільш легкий зсув уздовж певних площин і напрямів пояснюється тим, що при цьому переміщення атомів з одного тривкого положення у вузлі кристалічної решітки в інше таке саме положення буде мінімальним, а, отже, потрібне дотичне напруження буде найменшим.

Для того, щоб зсув відбувся шляхом одночасного зміщення однієї частини кристала відносно іншої, як це показано на рис. 6.4, г, потрібні були б зусилля, які переважали б сили взаємодії між усіма атомами, що розміщені в площині ковзання. В дійсності ж при деформації реальних кристалів ці зусилля в сотні і тисячі разів менші, ніж при теоретичному розрахунку. Причину цього явища пояснила теорія дислокацій.

Атоми, розміщені в полі дислокації, збуджені, їхня енергія підвищена, вони вже виведені з рівноважних положень з мінімальною вільною енергією. Такий стан кристала метастабільний (нестабільний). Достатньо прикласти суттєво менші напруження, ніж при синхронному зсуві, тобто виконати незначну роботу, щоб обмежена група атомів (у ділянці дислокації), трохи змістившись, зайняла нові тривкі позиції, тобто здійсниться елементарний акт пластичної деформації із затратою мінімуму енергії.

Отже, згідно теорії дислокацій, пластична деформація відбувається під дією дотичних напружень у результаті переміщення малого числа атомів в області дислокації, або інакше - переміщення дислокацій. Спрощена схема процесу зсуву з участю дислокації (позначена знаком “┴”) показана на рис. 6.5. У верхній частині кристала є додаткова напівплощина (де атоми позначені темними кульками), яка закінчується лінією дислокації, що знаходиться в площині ковзання (позитивна крайова дислокація). Утворення дислокації вимагає значної енергії, але якщо вона утворилася, то легко переміщується в тій площині, у якій знаходиться лінія дислокації.

Під дією дотичних напружень у напрямі, вказаному стрілкою, дислокація трохи переміститься зліва направо. При цьому під нею виявиться вертикальна площина, з якою вихідна екстраплощина з’єднається в повну площину. Верхня частина цієї вертикальної площини і стане новою екстраплощиною з крайовою дислокацією на краю. Отже, незначні переміщення малої групи атомів призводять до переміщення дислокації на одну міжатомну відстань. При постійно діючому дотичному напруженні рух передається послідовно, як по естафеті, від однієї групи атомів до другої доти, поки дислокація не вийде на поверхню кристала. Тоді на правій боковій грані кристала появиться сходинка висотою в одну міжатомну відстань (рис. 6.5, г).

Звичайно в площині ковзання розміщені десятки дислокацій. Їхнє переміщення під дією дотичних напружень призводить до розвитку пластичної деформації. Висота сходинки на поверхні кристала буде збільшуватися пропорційно до числа дислокацій, що виходять на поверхню. Рух дислокацій викликає утворення нових дислокацій і таким чином число дислокацій у кристалі збільшується. Великі пластичні деформації можливі тоді, коли ковзання здійснюється за рахунок руху великої кількості дислокацій.

а б в г

Рис. 6.5. Схема зсуву на один параметр решітки верхньої частини кристала

відносно його нижньої частини при русі дислокації через всю площину ковзання

Сліди ковзання можна спостерігати під мікроскопом на попередньо відполірованій (до деформації) поверхні металу у вигляді паралельних ліній ковзання. Близько розміщені лінії ковзання утворюють смуги ковзання. Крім того, при деформації на поверхні металу часто спостерігаються макросмуги – так звані лінії Людерса – Чернова, які звичайно орієнтовані під кутом приблизно 45…60° до напряму діючого навантаження.

На початковій стадії пластичної деформації кристала ковзання здійснюється шляхом руху дислокації в одній системі площин – стадія легкого ковзання. На цій стадії дислокації можуть переміщуватися, порівняно безперешкодно, на великі відстані і багато з них досягають поверхні кристала.

З ростом деформації починається стадія множинного ковзання – рух дислокацій у двох і більше системах площин. На цій стадії дислокації переміщуються в площинах, що перетинаються, тому опір їхньому рухові збільшується, оскільки силові (пружні) поля дислокацій взаємодіють між собою. Якщо дислокації розміщені в одній площині ковзання, мають однаковий знак, то вони взаємно притягуються. Наближення дислокацій різного знаку призводить до їх взаємного знищення (анігіляції). На стадії множинного ковзання після значної деформації дислокаційна структура кристалу сильно ускладнюється, в процесі ковзання виникають нові дислокації і густина дислокацій збільшується. На стадії множинного ковзання, в результаті виникнення перешкод на шляху рухомих дислокацій, опір ковзанню зростає, і для його продовження уже потрібне більше значення напруження, тобто відбувається деформаційне зміцнення. Воно виявляється в процесі деформації і зберігається після закінчення деформування.

Отже, якщо в кристалі не буде дислокацій – легко рухомих дефектів, що полегшують пластичну деформацію, то кристал повинен мати високу міцність, близьку до теоретичної. Це доведено створенням бездислокаційних кристалів у вигляді дуже тонких ниток, які називаються ниткоподібними кристалами або “вусами”.

Із збільшенням в металі густини дислокацій міцність спочатку різко знижується (рис. 6.6), оскільки відносно невелика кількість дислокацій при переміщенні на своєму шляху зустрічає мало перешкод, гальмуючих цей рух. Такі перешкоди утворюються при перетині або “зіткненнях” рухомих дислокацій одна з одною. При незначній густині дислокацій число таких зіткнень мале. Однак при збільшенні густини дислокацій більше деякого значення (точка 3 на рис. 6.6), що зумовлює мінімальне значення характеристик міцності, відбувається зміцнення за рахунок частіших зустрічей і гальмувань дислокацій.

Характеристики міцності
Густина дислокацій

Рис. 6.6.

Залежність міцності металів від густини дислокацій (схема):

1 – ідеальний кристал без дефектів;

2 – бездислокаційні кристали (“вуса”); 3 – відпалені метали;

4 – метали, зміцнені холодною деформацією й іншими способами, що забезпечують високу густину дефектів кристалічної будови

Отже, зміцнення можна досягнути при створенні структури металу, що забезпечує мінімальну рухливість дислокацій. Давно відомі способи зміцнення, які ведуть до збільшення корисної густини дислокацій; це – механічний наклеп, подрібнення зерна, термічна обробка тощо. Крім того, відомі методи легування (тобто втілення в решітку домішкових атомів, які утворюють різного роду дефекти і спотворення кристалічної решітки), також є методами утворення перешкод для вільного руху дислокацій (блокування дислокацій). Сюди ж належать способи утворення структур з так званими зміцнювальними фазами. Однак при всіх цих способах зміцнення, міцність не досягає теоретичного значення. Отже, в тій або іншій мірі наявність дислокацій у реальному металевому кристалі є причиною більш низької його міцності порівняно з теоретичною й одночасно зумовлює здатність пластично деформуватися.

Чи можна, у зв’язку з цим, розглядати здатність металу до пластичної деформації, як його недолік?

Досвід засвідчує, що здатність реального металу пластично деформуватися є однією із найважливіших і корисних властивостей. Цю властивість використовують при різних технологічних процесах – при протягуванні дроту, операціях згинання, витяжки, штампування тощо. Велике значення вона має і для забезпечення конструкційної міцності або надійності металевих конструкцій, деталей машин й інших виробів із металу. Якщо метал перебуває у крихкому стані, тобто його здатність до пластичного деформування низька, то він у виробах схильний до раптових, так званих, крихких руйнувань, що часто відбуваються навіть при знижених навантаженнях на виріб.

Ковзання або зсув уздовж певних кристалографічних площин є основним, але не єдиним механізмом пластичної деформації. За деяких умов пластичне деформування може також відбуватися шляхом двійникування. Двійникування полягає у зсуві однієї частини кристала в нове положення, симетричне відносно другої частини кристала. Цей зсув відбувається відносно певної площини, яка називається площиною двійникування. Часто воно трапляється в металах з ОЦК і ГЦК решітками, особливо при великих швидкостях деформації і низьких температурах. На рис. 6.7 порівнюється переміщення атомів, зображених кульками, при ковзанні (зліва) і двійникуванні (справа). У результаті ковзання сусідні атомні площини зміщуються на відстані, кратні цілій міжатомній відстані. Інакше відбувається при двійникуванні, за якого сусідні атомні площини зсуваються на відстань не кратну цілій міжатомній відстані, причому ця відстань пропорційна віддаленню площини зсуву від площини двійникування. Як засвідчує з рис. 6.7, орієнтування зсунутої при двійникуванні частини кристала змінюється. Площина двійникування, що проходить через лінію АА (перпендикулярна площині рисунка) розділяє кристал у цій ділянці на дві по різному орієнтовані частини. У нижній частині змін при двійникуванні не відбулося, й орієнтація кристала відповідає вихідній. У верхній частині зміщення атомів відбувалося так, що чим далі від площини двійникування розміщується площина зсуву, тим на більшу відстань переміщуються в ній атоми.

Рис. 6.7. Схема зміщення атомів при ковзанні (а) і двійникуванні (б)

Тому при двійникуванні відбулася переорієнтація – утворився двійниковий прошарок. Криста-лічна решітка всередині двійни-кового прошарку є дзеркальним відображенням решітки в другій частині кристала. Площиною дзеркального відображення слу-гує площина двійникування (положення зміщених атомів у двійниковому прошарку можна одержати шляхом дзеркального відбивання незміщених атомів, які розташовані в другій частині кристала, відносно площини двійникування).

Двійникування відбувається при більших сколюючих напруженнях, ніж ковзання, розвивається скачкоподібно й іноді супроводжується потріскуванням (наприклад, в олові). Часто двійникування відбувається одночасно з ковзанням, причому ковзання призводить до значно більшої відносної деформації, ніж двійникування.