Физические основы пластической деформации

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени

первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра «Обработка металлов давлением»

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине « Обработка металлов давлением»

Тема: Физические основы пластической деформации

 

 

 

 

Выполнила: Худякова Н.А.

Группа: Мт-330704

Преподаватель: Бурдуковский В.Г.

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2016

Введение

   Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов и сплавов.

   Пластичностью называют способность металлов изменять свою форму под  действием инструмента без разрушения. Пластичность металлов и сплавов не является физической характеристикой, а определяется также и условиями деформации. Один и тот же металл или сплав будет иметь в одних условиях большую пластичность, допускающую большие деформации, в других — разрушаться при небольших остаточных изменениях формы. Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава и фазового состояния, структуры, а также от условий — температуры, скорости, степени деформации и механической схемы.

   Технические процессы обработки металлов давлением осуществляются как в холодном, так и в горячем состоянии. Основными механизмами пластической деформации в горячем и холодном состоянии являются: внутризеренное скольжение, двойникование, взаимное перемещение и поворот зерен. При пластической деформации происходит измельчение зерен металла, ориентация зерен вдоль преимущественного направления деформации, искажаются и заклиниваются плоскости скольжения, возникают напряжения между отдельными зернами, частями металла и др.

   Указанные изменения приводят к тому, что пластические характеристики металла или сплава уменьшаются, а прочностные свойства (предел текучести, предел прочности) возрастают. Важно отметить, что при холодной деформации изменения свойств металлов и сплавов накапливаются по мере увеличения степени деформации. Это приводит к тому, что при достижении определенной суммарной деформации металлы и сплавы теряют способность деформироваться пластически, начинают разрушаться.

   Для большинства металлов и сплавов характерно повышение пластических свойств при нагреве. Это позволяет пластически деформировать с повышенными частными обжатиями, которые не могут иметь место при холодной деформации вследствие больших усилий, необходимых для осуществления процесса и невысокой пластичности. Горячей обработкой металлов называется деформация при температуре, превышающей температуру рекристаллизации. Технические процессы горячей обработки давлением стали осуществляются при температуре 1000—1250°С, составляющей (0,7—0,8) Тпл. При горячей обработке давлением одновременно протекают два процесса в деформируемом металле: наряду с упрочнением металла происходит его разупрочнение под влиянием высоких температур.

 

1.Внутризеренная  пластическая деформация

   Внутризеренная пластическая деформация-деформация, протекающая внутри зерен (кристаллов). При температурах ниже эквикогезивной пластическая деформация осуществляется путем сдвига одних частей зерна (кристаллита) относительно других (рис.1).

Рис.1. Изменение формы зерна (кристаллита) в результате деформации при растяжении: а) до деформации

                     б) после деформации

 

   Эти части не только сдвигаются одна относительно другой, но по мере развития деформации они разворачиваются (поворачиваются) осями наибольшей прочности в направлении течения металла (в рассматриваемом на рис.1 случае - в направлении действия растягивающей силы), а зерно вытягивается в том же направлении.

   Наблюдаются две разновидности механизмов сдвига (пластической деформации): скольжение и двойникование.

   Скольжение - основной механизм сдвига (пластической деформации) в металлических материалах. Двойникование в большинстве случаев имеет второстепенное значение. Его роль возрастает, когда скорость приложения напряжений очень велика, в случаях многоосного приложения напряжений и деформирования при низких температурах. 

 

1.1.Деформация скольжением

   Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины (τк).

   Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу (τк) наименьшая. Это объясняется тем, что в указанных направлениях величина перемещения атома из одного положения равновесия в другое будет минимальной, а расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая.

   В металлах, имеющих кубическую гранецентрированную решетку, к числу которых относятся Fеγ , А1, Сu, Ni и др., скольжение протекает по плоскостям октаэдра (111) и в направлении диагонали грани куба [110]. В кубической объёмноцентрированной решетке ( Fеα,W, Мо, V и др. ) процесс скольжения наиболее легко осуществляется по плоскостям (110) и в направлении в пространственной диагонали куба [111]. Наконец, в металлах, имеющих гексагональную плотноупакованную решетку (Zn, Ве, Мg и др.), скольжение происходит по плоскости базиса (0001) и в направлении [2110].

   Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Однако процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой сдвиг потребовал бы напряжений, превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации. Так, например, у монокристаллов железа сдвиг наблюдается при касательном напряжении (критическом сопротивлении сдвигу), равном 29 Мн/м2 (29 кГ/мм2), а наименьшая теоретически вычисленная величина составляет 2300 Мн/м2 (230 кГ/мм2), т. е. почти в 100 раз больше.

   Для алюминия теоретическая величина критического сопротивления сдвигу [1900 Мн/м'2 (190 кГ/мм2)]почти в 500 раз превышает реальную величину критического со­противления [1,2—2,4 Мн/м2 (0,12—0,24 кГ/мм2)], а для меди в 1540 раз.

   Согласно современным представлениям скольжение осуществляется в результате перемещения дислокаций в кристалле.

   Перемещение дислокации через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответсвующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние. При этом образуется ступенька. Экстраплоскость выйдет на поверхность, что приведет к сдвигу верхней части кристалла на один период решетки над нижней частью. Переход дислокаций из одного положения кристаллической решетки в другое совершается значительно легче, чем переход атомного ряда на то же расстояние. В настоящее время показано, что дислокации могут двигаться по плоскости скольжения в кристаллической решетке при небольших сдвигающих напряжениях.

   Следует иметь в виду, что деформация за счет первичных дислокаций (т. е. образовавшихся в процессе кристаллизации) ограничена. Большие деформации возможны лишь благодаря тому, что движение дислокаций вызывает появление большого  количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

   Как правило, дислокации не могут переходить с одной плоскости скольжения на другую. Если при взаимодействии одних дислокаций с другими или какими-то иными дефектами искажение решетки возрастает, то возрастает сопротивление их передвижению. Поэтому передвижению дислокаций препятствуют всякого рода неправильности в строении кристаллической решетки и другие дислокации. Перемещение дислокаций по пересекающимся плоскостям скольжения, а также наличие дислокаций обратного знака вблизи плоскости скольжения тормозит движение дислокаций. Краевые дислокации одного знака при их движении в своих плоскостях скольжения взаимно отталкиваются, а противоположные по знаку притягиваются.

   При сближении положительных и отрицательных дислокаций происходит их взаимное уничтожение. Этот процесс называется аннигиляцией дислокаций.

 

1.2. Деформация двойникованием

   Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Наиболее часто двойникование наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации, особенно в металлах с ГП и ОЦК решетками. В чистых ГЦК металлах деформация двойникованием происходит только при отрицательных температурах и высоких скоростях деформации.

   При двойниковании происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой вдоль определенной плоскости и направления двойникования. Плоскость двойникования – это обычно кристаллографическая плоскость с малыми индексами, которая является плоскостью симметрии двойникового образования относительно исходного кристалла.

   Наиболее часто двойникование происходит в ГП металлах, где число систем скольжения минимально, особенно при отношении c/a≥1,633. В неблагоприятно ориентированных для базисного скольжения монокристаллах и многих зернах поликристаллов приведенные напряжения сдвига, достаточные для двойникования, оказываются ниже тех напряжений, которые необходимы для небазисного скольжения.

   Часто началу двойникования в ГП металлах предшествует скольжение. Результирующее повышение плотности дислокаций создает концентрацию напряжений в микрообъемах, достаточную для зарождения двойников. Это подтверждается хорошо известными фактами появления двойников при относительно низких напряжениях в поврежденных (например, погнутых) образцах. Иногда, наоборот, при неблагоприятной ориентировке ГП кристалла для базисного скольжения его деформация начинается с двойникования. При этом ориентировка базисных плоскостей может измениться таким образом, что в дальнейшем будет идти деформация скольжением.

   Двойникование по одной плоскости не может обеспечить значительной пластической деформации металла. Это объясняется тем, что смещение атомов в каждой плоскости двойникования происходит только один раз и на доли межатомного расстояния.

   В результате ГП металлы с c/a≥1,633 (Cd, Zn, Mg ), где действует в основном один тип плоскостей двойникования {1012}, не могут сильно деформироваться только за счет двойникования. С увеличением числа действующих плоскостей и направлений двойникования при переходе к ГП металлам с низким отношением c/a (Ti, Zr) величина пластической деформации двойникованием растет.

   При металлографическом исследовании в световом и электронном микроскопах, каждый двойник деформации выявляется в виде двух параллельных полос (следов его пересечения с поверхностью излома, шлифа или фольги).

   Внешне они похожи на двойники отжига, наблюдающиеся в металлах с рекристализованной структурой. Специфичным для двойников деформации является очень малая ширина полос (особенно в ОЦК металлах – обычно меньше 5мкм) и характерные сужения на концах. В поликристалле двойники никогда не переходят из одного зерна в другое. Обычно они заканчиваются внутри зерна, а если доходят до границы, то возникающие в месте этого стыка напряжения могут способствовать появлению двойника в соседнем зерне, где он будет иметь иную ориентировку.

   Механизм зарождения и роста двойников остается предметом дискуссий. В значительной мере это связано с очень высокой скоростью образования двойников (порядка 10-1 от скорости звука), затрудняющей последовательный анализ процесса роста двойников.Из-за высокой скорости двойникования выделение энергии деформации сопровождается характерными звуками. Например, олово и такие ГП металлы, как кадмий и цинк, потрескивают при изгибе.

   Считается, что двойник растет за счет перемещения особых двойникующих дислокаций. Картину пластической деформации двойникованием изучают фактически только на макроуровне, наблюдая уже «готовые» двойники, число которых растет по мере увеличения степени деформации.

   На боковых границах двойника с окружающей матрицей всегда образуется дефект упаковки. Границы эти являются когерентными, т.е. в расположении атомов по обе стороны имеется закономерная связь. Когерентные границы обладают относительно низкой энергией и высокой устойчивостью и сохраняются даже после высокотемпературного отжига. Торцовые границы двойника являются обычно некогерентными. Когерентным границам очень трудно мигрировать, и поэтому двойники растут не в ширину, а в длину и только в результате миграции некогерентных торцовых границ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Зернограничная пластическая деформация

   Зернограничное проскальзывание – механизм пластической деформации, присущий поликристаллам.

   Пластическая деформация поликристаллических образцов с ГЦК решеткой имеет ряд важных особенностей, но и в них основные элементы картины деформации, рассмотренные на примере монокристаллов, сохраняются. Поликристалл принципиально отличается наличием в его структуре высокоугловых границ. Поликристалл можно рассматривать как совокупность произвольно ориентированных монокристаллов (зерен), отделенных друг от друга высокоугловыми границами. При растяжении такого поликристалла внутри каждого зерна вдали от границ картина на начальных стадиях пластической деформации должна быть такой же, как она была бы, если бы это зерно деформировалось отдельно. Из-за разной ориентации зерен деформация в них начинается не одновременно и развивается неоднородно.

   В первую очередь скольжение идет в благоприятно ориентированных зернах, внутри которых имеется система легкого скольжения, расположенная так, что в ней действуют максимальные касательные напряжения. В этих зернах некоторое время наблюдается типичное легкое скольжение, сопровождающееся появлением длинных тонких линий. Дислокации внутри благоприятно ориентированных зерен на начальных стадиях деформации скользят без больших помех на большие расстояния и многие из них доходят до границ зерен. Последние, как известно, являются эффективными барьерами для дислокаций, которые тормозятся здесь, образуя скопления (рис.2).

Рис.2. Скопления дислокаций у границ зерна

   Вокруг скоплений возникают поля упругих напряжений, которые действуют на границы и прилегающие к ним участки соседних зерен в дополнение к приложенным извне напряжениям. В этих условиях могут начать работать дислокационные источники в приграничных областях. Так происходит эстафетная передача деформации в поликристалле. Деформация начинается, прежде всего в зернах, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к действующей нагрузке, т.е. под углом 45°. Возникают максимальные касательные напряжения, вызывающие пластическую деформацию.