Физические основы пластичности и прочности металлов

     Напряжение  в материале в этот момент испытания  называют пределом прочности.

     Предел прочности (временное сопротивление разрыву) - напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

     σ_в = P_в/F₀.

     По  своей физической сущности σ_в характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластической деформации.

     За  точкой В (см. рис. 1, а) в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке k при нагрузке P_k происходит разрушение образца.

     Истинное сопротивление разрушению - максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца

     S_K = P_к/F_K,

     где F_K - конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

           Несмотря на то что  нагрузка Р_к<Р_в, вследствие образования шейки F_K<F₀, и поэтому по величине S_К значительно больше, чем σ_в.

     Истинные напряжения. Рассмотренные показатели прочности: σ_т, σ_в и др., за исключением S_k, являются условными напряжениями, так как при их определении соответствующие нагрузки относят к начальной площади сечения образца F₀, хотя последняя постепенно уменьшается по мере деформации образца. Более точное представление о напряжениях в образце дают диаграммы истинных напряжений (рис. 2).

     

     Рис.2 Диаграмма истинных (S) и условных (σ) напряжений: ψ - поперечное сужение образца. 

     Истинные  напряжения S_i = P_i/F_i определяют по нагрузке P_i и площади поперечного сечения F_i в данный момент испытания. Примерно до точки b (рис. 2,) т. е. точки В на рис. 72, а, различие между истинными и условными напряжениями невелико и S_B = σ_в. Затем истинные напряжения увеличиваются, достигая максимального значения S_k в момент, предшествующий разрушению.

     При испытании на растяжение, кроме характеристик  прочности, определяют также характеристики пластичности. 

     2. Физические основы пластичности металлов 

     Развитие учения о механических свойствах твердых тел, как известно, шло от механики абсолютно твердого тела, в которой деформации вовсе не учитываются, через теорию упругости, являющуюся первым приближением и пригодную в случаях малых и обратимых деформаций, к разрабатываемой в настоящее время теории малых упруго-пластических деформаций. Теория взаимодействия атомов кристаллической решетки, разработанная свыше 40 лет назад, находилась в резком противоречии с экспериментальными данными относительно прочности кристаллов. Из этого положения было предложено два выхода. Оба они основаны на том, что в реальном кристалле, как и вообще в твердых материалах, имеются неоднородности и несовершенства. Именно вследствие несовершенства строения у реальных тел возникает преждевременная пластичность.

     Далее мнения разных исследователей расходились. Одни считали, что реальный кристалл состоит из кусочков идеального кристалла, между которыми имеются слабые места. Пластическое течение происходит только по слабым местам. Другие полагали, что слабые места, если и играют роль в пластичности, то только в качестве источников перенапряжения. Иначе говоря, для пластического течения необходимы большие местные перенапряжения, как это, например, было показано в опытах по управлению образованием пластических сдвигов.

     Несомненно, что изучение строения реального кристалла и разнообразных дефектов, которые могут в нем существовать, является важной по своему значению задачей. Однако спорным является положение о том, необходимо ли основывать теорию пластичности на учете этих явлений или же можно разработать теорию пластической деформации идеально правильной кристаллической решетки с последующим рассмотрением роли различных дефектов.

     Ряд авторов предпочитает исходить из предположения о наличии в кристаллической решетке закономерно распределенных пороков, обладающих особыми свойствами. Предполагается, что пластическое течение кристаллов представляет собой движение этих пороков (дислокаций) в кристаллической решетке. Последние экспериментальные данные в известной степени подтверждают дислокационные представления. Однако до сих пор остается недостаточно выясненным коренной вопрос о возникновении дислокаций в процессе пластической деформации. Поэтому необходимо уделить особое внимание экспериментальной проверке теории дислокаций. Возможно, что такая проверка и соответствующее уточнение теории будут способствовать сближению различных точек  зрения.

     Разнообразные материалы, подвергаемые действию внешних механических сил, на самых начальных стадиях нагружения изменяют свои размеры и форму обратимо. Деформации, наблюдаемые при этом, называются упругими. Изучение упругих свойств твердых тел важно в связи с тем, что упругие постоянные являются мерой междучастичных сил в твердых телах.

     Явления формоизменения твердых тел под воздействием внешних сил весьма сложны. Конечные изменения, происходящие в твердых телах под воздействием внешних сил, определяются совокупностью ряда процессов, каждый из которых сам по себе еще в полной мере неясен из-за отсутствия удовлетворительных и полных представлений о природе сил связи в твердых телах, об их строении, о характере теплового движения и т. д., иными словами, в виду отсутствия исчерпывающей теории кристаллического состояния. Однако несомненно, что основные и общие явления, происходящие в твердых телах под действием внешних сил, заключаются в атомных и молекулярных смещениях.

     Известно, что явления, происходящие при формоизменении твердых тел под действием внешних сил, в сильной степени зависят от структуры и теснейшим образом связаны с процессами диффузии, релаксации, рекристаллизации, с фазовыми превращениями и в весьма сильной степени зависят от температуры. В силу этого проблема упругого и пластического формоизменений твердых тел - проблема пластичности, по сути дела, является частью более общей проблемы - проблемы подвижности атомов и молекул в твердых телах, включающей в себя: упругость, несовершенную упругость, пластичность, ползучесть, двойникование, фазовые превращения, диффузию, релаксацию, рекристаллизацию и другие (подобные) явления.

     Таким образом, разработка физического учения о пластичности требует охвата большого круга явлений, часть из которых была перечислена выше, и неотделима от решения следующих фундаментальных проблем: проблемы общей теории твердого состояния; проблемы междучастичных сил в твердых телах; проблемы идеальной и реальной структуры твердых тел; проблемы теплового движения в твердых телах.

     Пластичность - способность тела (металла) к пластической деформации, т. е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Характеристиками пластичности являются относительное удлинение и относительное сужение.

     По  степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:

     высокопластичные - (относительное удлинение превосходит 40 %) - металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и "легкие" металлы (натрий, калий, рубидий идр.);

     пластичные - (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) - магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа);

     хрупкие - (относительное удлинение меньше 3%) - хром, марганец, кольбат, сурьма.

     Высокая очистка хрупких металлов несколько  повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются  обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья.

     Относительное удлинение. Относительное удлинение является условной характеристикой пластичности. Это объясняется тем, что абсолютное удлинение состоит из двух составляющих: равномерного удлинения дeльта l_р, пропорционального длине образца, и местного, сосредоточенного удлинения в шейке дельта l_ш, пропорционального площади поперечного сечения образца.

     Отсюда  следует, что доля местной деформации, а следовательно, и значения дельта l_ост и δ у коротких образцов больше, чем у длинных.

     При этом для различных материалов относительная  величина равномерной и местной  деформаций колеблется в широких пределах. Большинство пластичных материалов деформируется с образованием шейки.

     При этом равномерная деформация составляет 5-10% от местной деформации, у сплавов  типа дуралюмин 18-20%, у латуней 35-45% и  т. д., но не больше 50%.

     Для хрупких материалов или находящихся  в хрупком состоянии шейка  не образуется и практически дельта l_ост = дельта l_p. 
Относительное удлинение, определяемое на длинных образцах, обозначается δ₁₀, на коротких δ₅, причем всегда δ₅ > δ₁₀.

     Относительное удлинение металлов характеризует таблица 2.

     Таблица 2.

     Пластичность  металлов.

 

     Относительное сужение. У пластичных материалов относительное сужение более точно характеризует их максимальную пластичность - способность к местной деформации и нередко служит технологической характеристикой при листовой штамповке и т. д. 

     3. Теоретическая и техническая прочность 

     Техническая (реальная) прочность металлов в 10-1000 раз меньше, чем их теоретическая прочность, определяемая силами межатомного сцепления. Например, для железа теоретически вычисленное значение сопротивления отрыву S_ОТ = 2100 кгс/мм².

     Техническая прочность железа: S_ОТ = 70 кгс/мм², σ_в = 30 кгс/мм². Такое большое различие объясняется тем, что теоретическая прочность соответствует идеальной бездефектной кристаллической решетке металла.

     В реальных металлах всегда имеются дислокации и другие дефекты кристаллической  решетки, включения, микротрещины и т. п., понижающие прочность и инициирующие разрушение (рис. 3).

     

     Рис.3 Зависимость прочности от количества дислокаций и других дефектов кристаллической решетки (схема И. А. Одинга): 1 - чистые, отожженные металлы; 2 - сплавы, упрочненные легированием, термической обработкой, пластической деформацией (наклеп) и т. п. 

     Минимальную прочность имеют чистые, отожженные металлы при плотности дислокаций около 10⁷-10⁸ см^-2. С уменьшением количества дислокаций сопротивление деформированию, т. е. прочность металла, возрастает и может достигать теоретического значения.

     Убедительные  доказательства справедливости этого  положения были получены при исследовании металлических усов - нитевидных кристаллов толщиной 0,5-2 мкм и длиной до 10 мм с практически бездефектной (бездислокационной) кристаллической структурой. Усы железа толщиной 1 мкм имеют предел прочности σ_в = 1350 кгс/мм², т. е. почти теоретическую прочность. Ввиду малых размеров усы применяют ограниченно. Увеличение размеров усов приводит к появлению дислокаций и резкому снижению прочности. Правее точки 1 (см. рис. 3) с увеличением количества дислокаций (дефектов) прочность металлов возрастает.

     Это используют при таких способах упрочнения, как легирование, термическая обработка, холодная пластическая деформация и т. д.