3.Основные механизмы пластической деформации монокристаллитов.

Основными механизмами пластической деформации являются скольжение и двойникование. Скольжение - значительно более распространенный механизм пластической деформации. Всесторонне равномерное сжатие вызывает появление только упругой деформации: атомы сближаются, пока силы их отталкивания не уравновесят сжимающую нагрузку. При всестороннем равномерном растяжении также происходит лишь упругая деформация: расстояние между атомами увеличивается и, наконец, может произойти разрыв межатомных связей -хрупкое разрушение, таким образом ни всестороннее равномерное сжатие, ни растяжение не приводят к пластической деформации.

Основным типом нагрузки, обеспечивающим необратимое смещение атомов относительно друг друга без нарушения связи между ними, является нагрузка, вызывающая появление сдвига. Поэтому основным механизмом пластической деформации является скольжение атомов относительно друг друга в кристаллической решетке, которое вызывается только сдвигом. Это скольжение происходит, как было сказано выше, по вполне конкретным кристаллографическим плоскостям и направлениям и, прежде всего, по плоскостям с наиболее плотной упаковкой атомов и по направлениям минимальных расстояний между ними.

Двойникование встречается значительно реже (Zn). В результате происходит мгновенный зеркальный перенос одной части кристаллита относительно другой. В плоскости двойникования не может быть проведена дальнейшая пластическая деформация. Происходит в тех случаях, когда скольжение затруднено (высокие скорости деформации, низкие температуры). Конечная деформация этого эффекта меньше, чем при скольжении. Скольжение, как основной механизм пластической деформации, происходит за счеткасательных напряжений

4..Основные механизмы пластической деформации поликристаллитов.

Механизм пластической деформации поликристалла значительно сложнее, чем моно"К". Это объясняется тем, что в них зерна отличаются между собой по форме и размерам, обладающих различными физико-механическими свойствами и ориентированные в отношении деформирующей нагрузки.

Однако деформации пограничных слоев зерен все же сложные из-за наличия в них нерастворимых примесей и неправильной формы поверхности самих зерен. В связи с этим различают два вида деф. поликристалла: внутренне кристаллическую (по зерну) и межкристаллической (по границам зерен). Первая так же протекает путем скольжения и двойникования, вторая путем поворота и перемещением только зерен относительно друг друга. Оба вида деформации протекают в поликристаллах одновременно.

Поскольку у поли-"К" зерна имеют разное ориентирование плоскостей скольжения, пластическая деф. при действии внешних сил начинается не во всех зернах одновременно. Сначала деформируются наиболее благоприятно ориентированные зерна, то есть те зерна, плоскости скольжения в которых составляют с направлением усилия 45°

В результате пластической деф. поликристалла происходит изменение формы зерен: они вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис. 1.7, в). Чем больше степень деформации, тем больше изменяется форма зерна. Вытянутые зерна в поликристаллах образуют волокнистую микроструктуру. Поскольку одновременно с изменением формы зерен в процессе деф. происходит и поворот плоскостей скольжения в отдельных зернах, то при значительных степенях деформации плоскости скольжения зерен поли-"К" стремятся соединиться с направлением течения металла. Такая ориентировка плоскостей скольжения зерен называется текстурой и вызывает у поликристаллов анизотропию свойств.

5) Дислокационная модель пластической деформации позволяет объяснить сложный характер поведения материала под нагрузкой, в том числе различное влияние скорости и температуры на величну сопротивления материала- деформаций,-явление задержки текучести и эффекты, связанные с историей нагружения. Большое число параметров, характеризующих дислокационную структуру материала и динамику дислокаций, не позволяет на основании этой модели количественно определить поведение материала под нагрузкой. В связи с этим основой для построения модели материала и установления уравнений

Дислокационная модель пластической деформации позволяет дать качественное объяснение и таким эффектам, как влияние температуры, скорости деформации и времени. Например, при повышенной температуре колебания в решетке, вообще говоря, облегчают перемещение дислокации. 

6) Методы определения механических свойств металлов разделяют на: - статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость); - динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб); - циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).

Испытание на растяжение

При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу. Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.

Предел текучести (σт) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ0.2) - напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (σпр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности σпц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).

Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ) и относительным сужением (ψ):

δ = [(lk - lo)/lo]∙100%      ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,

где lk - конечная длина образца; lo и Fo - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk - площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

Испытание на твердость

Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).

а	б	в

Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а), Роквеллу(б) и Виккерсу(в)

Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 • 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ • К, Па.

Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.

Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: σ_в ≈  3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; σ_в ≈ 4,5 НВ - для медных сплавов, σ_в ≈ 3,5НВ - для алюминиевых сплавов.

Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.

При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.

При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м².

Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV - с V-подобным надрезом, а KCT - с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

Рис. 3. Схема маятникового копра и ударного образца

При проведении ударных испытаний образцов с надрезом при низких температурах определяют порог хладноломкости, который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. При переходе от вязкого к хрупкому разрушению наблюдается резкое снижение ударной вязкости в интервале температур, который имеет название температурный порог хладноломкости. При этом изменяется строение излома от волокнистого матового (вязкое разрушение) к кристаллическому блестящему (хрупкое разрушение). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв.– tхр.) или одной температурой t50, при которой в изломе образца наблюдается 50% волокнистой составляющей или же величина ударной вязкости снижается в два раза.

О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, который определяется по разнице между температурой эксплуатации и переходной температурой хладноломкости, и чем он больше, тем надежнее материал.

Испытание на усталость

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения.

Предел выносливости обозначается σ_R, где R - коэффициент асимметрии цикла.

Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).

Важной характеристикой конструкционной прочности является живучесть при циклическом нагружении, под которой понимают продолжительность эксплуатации детали от момента зарождения первой макроскопической усталостной трещины размером 0,5…1 мм до окончательного разрушения. Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем раннего обнаружения и предотвращения дальнейшего развития усталостных трещин.

7) Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

С ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость).

Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла — образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например уменьшаются электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ориентировка (текстура) и анизотропия свойств, т. е. их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла.

8) Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

Форма заготовки при обработке давлением изменяется под действием внешних сил вследствие пластической деформации каждого кристаллита в соответствии со схемой главных деформаций. Основное изменение формы кристаллитов состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной деформации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения). С повышением степени холодной деформации зерна все более вытягиваются и структура становится волокнистой.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, аследовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

С увеличением степени холодной деформации показатели сопротивления деформированию (временное сопротивление, предел текучести и твердости) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают.

9) Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат - Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки

Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

11)  Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали. Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах, и связанных с изменением объема.

Напряженным состоянием в точке тела называют совокупность нормальных и касательных напряжений, возникающих на всевозможных площадках, проходящих через данную точку.

Те́нзор напряже́ний (иногда тензор напряжений Коши) — тензор второго ранга, состоящий из девяти величин, представляющих механические напряжения в произвольной точке нагруженного тела. Вдекартовой системе координат эти девять величин записываются в виде таблицы, в которой по главной диагонали стоят нормальные составляющие векторов напряжений на трёх взаимно перпендикулярных площадках, проходящих через рассматриваемую точку среды, а в остальных позициях — касательные компоненты векторов напряжений на этих площадках.

12) Главные площадки – это площадки, проходящие через исследуемую точку, на которыхКасательные напряжения отсутствуют.

Главные напряжения – это возникающие на главных площадках нормальные напряжения

В общем случае нагружения (при объемном напряженном состоянии) среди множества площадок, проходящих через некоторую точку тела, всегда можно найти три взаимно перпендикулярныеглавные площадки. В окрестности любой точки деформированного твердого тела всегда можно выделить элементарный параллелепипед, ориентированный в пространстве таким образом, что по его граням будут возникать только нормальные (главные) напряжения (см. рис. 6.2).

Главные напряжения обозначаются  . Индексы расставляются после вычисления главных напряжений. Должно выполняться неравенство:

– наибольшее, а  – наименьшее нормальное напряжение в исследуемой точке тела.

в теории пластической деформации  различают всего девять схем главных напряжений четыре объемные (трехосные), три плоские (двухосных), две линейные (одноосные).

13) При изучении плоского напряженного состояния будем рассматривать только наклонные площадки, которые перпендикулярны граням параллелепипеда, на которых отсутствуют нормальные и касательные напряжения (рис. 6.4).

Положение наклонной площадки определяется углом  , образующим внешнюю нормаль  к этой площадке с осью z. Угол   положителен, если отсчитывается против хода часовой стрелки.

Нормальные и касательные напряжения на наклонной площадке, проходящей через точку К, определяются по формулам:

Из формул нормальных и касательных напряжений на наклонных площадках, проходящих через рассматриваемую точку, видно: напряжения в наклонных площадках являются непрерывными функциями угла  и могут иметь экстремальные значения: максимумы и минимумы.

Найдем угол наклона площадки  , при котором нормальное напряжение  принимаетэкстремальное значение.

Приравняем формулу к нулю. Получим формулу экстремального значения угла наклона площадки:

 Найдем углы  и  , определяющиеположение двух взаимно перпендикулярных площадок, на которых возникают экстремальные нормальные напряжения  и  в рассматриваемой точке К (рис. 6.5).

Максимальное нормальное напряжение  всегда направлено в сторону, где сходятся касательные напряжения  . (см. рис. 6.6.)

Касательные напряжения «создают» дополнительное удлинение одной из диагоналей.

ИНТЕНСИВНОСТЬ НАПРЯЖЕНИЙ - величина, определяющая касательное напряжение на элементарной площадке, одинаково наклонённой к гл. осям напряжений в точке (октаэдрич. касательное напряжение). И. н. s_и выражается через компоненты тензора напряжений s_ij ф-лой:   

14) Условия пластичности устанавливают соотношения между действующими напряжениями, при которых металл переходит из упругого состояния в пластическое. При линейном одноосном напряженном состоянии этот переход происходит, когда действующее напряжение достигает напряжения предела текучести σ_T. В случае сложного напряженного состояния (плоского или объемного) число возможных комбинаций значений действующих напряжений, вызывающих переход упругих деформаций металла в пластические, может быть бесконечно велико. Эти возможные комбинации определяются уравнениями пластичности, которые выводятся на основании экспериментальной проверки принятых гипотез и определяют связи между напряжениями и деформациями при заданных температурно-скоростных параметрах.

В обработке металлов давлением при анализе напряженно-деформированного состояния заготовок в разных операциях наибольшее распространение получили условия постоянства максимальных касательных напряжений и условие постоянства удельной энергии формоизменения.

Первое условие — постоянство максимальных касательных напряжений формулируется следующим образом: пластическое состояние наступает тогда, когда какое-либо одно из трех главных касательных напряжений достигает вполне определенной величины, равной половине напряжения текучести металла при линейном напряженном состоянии. Эта гипотеза основана на том, что на поверхности заготовки с развитием пластической деформации появляются линии скольжения в направлениях действия главных касательных напряжений. Поэтому естественно предположить, что пластическое деформирование наступает тогда, когда главные касательные напряжения достигают экстремальных значений, которые зависят только от свойств деформируемого металла и не зависят от характера напряженного состояния.

Второе условие — энергетическая гипотеза утверждает, что переход деформируемого металла в пластическое состояние происходит независимо от схемы напряженного состояния тогда, когда потенциальная энергия формоизменения, отнесенная к единице объема, достигает некоторой величины, зависящей только от свойств деформируемого металла.

Рис. 4. Элементарный тетраэдр, грани которого совпадают с главными плоскостями

Рассмотрим выделенный в деформируемом геле элементарный объем, ограниченный тремя гранями (ВОС, АОС и АОВ), совпадающими с главными плоскостями, и четвертой произвольно ориентированной гранью ABC (рис. 4). На трех гранях полученного тетраэдра будут действовать главные напряжения σ₁;σ₂;σ₃, а на четвертой грани будет действовать полное напряжение T имеющее нормальную и касательную составляющие σ_н и τ.

Обозначим косинусы углов, образующие нормаль N к произвольно ориентированной грани ABC с главными осями 1, 2, 3, через cos α= cos(N;1)=a₁; cos β = cos(N;2)=a₂; cos γ=cos(N;3)=a₃.

Эти косинусы являются направляющими относительно грани ABC, а соотношение их между собой определяется известным из аналитической геометрии уравнением   (23)

Из условия равновесия сил на гранях тетраэдра нормальное σ_н и касательное τ напряжения на грани ABC выражаются следующими уравнениями:   (24)

Из уравнения (23)   Тогда:

 (25)

Для определения положения грани с максимальным по величине касательным напряжением уравнение (25) следует продифференцировать по a₁ и a₂ и полученные первые производные приравнять нулю. Анализ показывает, что максимальные или главные касательные напряжения действуют на гранях, проходящих через одну координатную ось и делящих угол между двумя другими осями пополам, т. е. наклоненных к двум координатным плоскостям под углом 45°: 

Подстановка этих значений косинусов в уравнение (24) дает

 (26)

Для других граней получим аналогичные выражения:

 (27)

 (28)

Здесь τ₁;τ₂;τ₃— максимальные или главные касательные напряжения.

При линейном напряженном состоянии (когда σ₂=σ₃) переходов пластическое состояние совершается при следующем соотношении:

Как было указано выше, условие постоянства максимальных касательных напряжений не зависит от схемы напряженного состояния, поэтому в окончательном виде это условие с учетом уравнений (26)—(28) можно записать так:

Для перехода от упругих деформаций к пластическим достаточно выполнение одного из этих трех равенств.

При плоском напряженном состоянии (σ₂=0) условие пластичности выражается уравнением σ₁-σ₃ = ±σ_T, где σ₁= σ_max, σ₃ = σ_min и имеется в виду, что σ₂=σ_ср =0 (среднее главное напряжение). Если σ₂=0 не среднее, а одно из крайних напряжений, то уравнение пластичности изменяется. Тогда в зависимости от соотношений главных напряжений уравнения пластичности для плоского напряженного состояния имеют вид:   (29)

Первое уравнение используется тогда, когда напряжения σ₁ и σ₃ имеют разные знаки, а последние два — когда эти напряжения имеют одинаковые знаки. Согласно энергетической гипотезе   (30)

При σ₂=σ₁ (σ₁=σ_max) или при σ₂=σ₃ (σ₃=σ_min) из уравнения (29)

следует, что ±(σ₁-σ₃)=σ_T.

Если положить   что является условием плоского деформированного состояния (ε₂=0) [см. уравнения (13) и (17)], то из выражения (30) получим 

В результате уравнение (30) можно в упрощенной форме представить в виде  ±(σ₁ -σ₃)=βσ_T, (31)

где коэффициент β учитывает влияние среднего главного напряжения σ₂ и может изменяться в пределах 1,0—1,15. Максимальное значение коэффициента β имеет место при плоском деформированном состоянии, когда видом напряженно-деформированного состояния является сдвиг.

Уравнением (31) можно пользоваться и для плоского напряженного состояния. Однако в этом случае следует иметь в виду, что если σ₂=0 не является средним напряжением, то условие пластичности выражается как 

Оба условия пластичности — условие постоянства главных касательных напряжений и энергетическое условие — совпадают при линейном напряженном состоянии (σ₂=σ₃=0), при объемном напряженном состоянии, когда среднее главное напряжение равно одному из крайних напряжений ( σ₂=σ₁ или σ₂= σ₃) а также при плоском напряженном состоянии, когда оба напряжения равны между собой ( σ₁= σ₃).