Что такое пластические деформации. Методические указания к лабораторным работам

Приложенная со стороны инструмента сила P уравновешивается силами междуатомных связей внутри кристаллической решетки и силами трения, которые сдерживают течение металла по поверхности инструмента.

Однако не всегда приложенная сила P вызывает пластическую деформацию тела. Тело пластически деформируется только при определенном значении среднего давления. Из теории пластичности известно, что пластическая деформация наступает при соотношении:

p ср –m =  Т,

где p ср – нормальное напряжение на поверхности контакта с инструментом;

m – сопротивление трения;

 = 1,01,15 –коэффициент Лоде, учитывающий влияние схемы напряженного состояния.

Приложенная сила P должна обеспечить величину среднего давления равную:

p ср =  Т +m .

Таким образом, чтобы произошла пластическая деформация, среднее давление должно быть больше напряжения текучести  Т на величину сопротивления сил трения и др.

Отношение называют коэффициентом подпора. Кроме сил трения деформацию тела затрудняют и другие факторы: внешние зоны; силы, приложенные к металлу вне очага деформации, и другие.

Коэффициент подпора учитывает влияние всех факторов, затрудняющих деформацию. Физический смысл коэффициента подпора n  в том, что он показывает во сколько раз среднее давление должно быть больше Т, чтобы осуществлялась пластическая деформация.

Если р ср   Т иn  , тело будет деформироваться упруго.

Если р ср   Т и n  , тело будет деформироваться пластически, необратимо.

Силу, необходимую для деформации, рассчитывают в такой последовательности:

Определяют среднее давление:

р ср =  Т n  ,

где  Т – напряжение текучести, определяют по графикам или с использованием расчетных формул, приведенных в технической литературе;

n  – определяют по расчетным формулам.

Сила, необходимая для деформации:

Р = р ср F к,

где F к – площадь контакта тела с инструментом. Определяют по расчетным формулам.

1.6. Пластическая деформация металлов

Под действием внешних сил металл претерпевает деформацию и меняет свою форму. В деформации участвуют также и внутренние силы – они уравновешивают внешние. Интенсивность внутренних сил называют напряжением. Величина напряжения равна отношению силы к площади поперечного сечения, на которую она действует:

,

где Р – сила,Н ;

F – площадь поперечного сечения, мм 2 ;

S – напряжение, Н/мм 2 .

Полное напряжение S может быть разложено на нормальное n и касательное τ. Нормальное напряжение стремится разрушить металл путем отрыва, а касательное – путем сдвига одной части тела относительно другой (рис. 6). В теле любой формы можно найти три таких взаимно перпендикулярных площадки (направления), на которых нормальные напряжения достигают своих крайних значений, а касательные равны нулю. Эти площадки называются главными и напряжения на них – главными (рис. 7). Принято, что  1 >  2 >  3 .

Различают деформации упругую и пластическую. Деформацию называют упругой, если после прекращения действия вызвавших ее сил тело вновь приобретает первоначальные форму и размеры. В противном случае деформацию называют остаточной или пластической.

Тело, испытывающее пластическую деформацию, после снятия нагрузки не принимает первоначальнойформы и не восстанавливает размеров, но не утрачивает полностью своих упругих свойств. Остаточной (пластической) деформации всегда предшествует упругая.

Наименьшее напряжение, при котором металл получает остаточнуюдеформацию 0,2 % при растяжении, называется пределом текучести  Т.

Когда деформация превышает определенную величину, различную для разных материалов и условий, происходит разрушение тела.

Пластическая деформация при растяжении наступает тогда, когда напряжение достигает предела текучести материала в данном состоянии (т. е. при определенной температуре, скорости деформации и т. д.).

Каждый вид пластической деформации характеризуется определенным напряженным состоянием. Всего имеется девять основных схем напряженного состояния: четыре объемные, три плоские и две линейные (рис. 8). При объемном напряженном состоянии элементарный кубик подвержен действию напряжений со стороны всех его боковых граней, и все три главные напряжения отличны от нуля: σ 1 ≠ 0, σ 2 ≠ 0, σ 3 ≠ 0.

Рис. 8. Схемы напряженного состояния:

І – объемное, ІІ – плоское, ІІІ – линейное

Плоское напряженное состояние отвечает такому случаю, при котором одно из главных напряжений равно нулю.

Линейные схемы соответствуют линейному напряженному состоянию, при котором только одно главное напряжение отлично от нуля.

При всестороннем равномерном растяжении или сжатии, когда σ 1 = σ 2 = σ 3 , пластическая деформация невозможна. В первом случае происходит хрупкое разрушение, во втором – происходит только упругое изменение объема.

При обработке давлением наиболее распространены объемные схемы напряженного состояния в виде неравномерного всестороннего сжатия или разноименные схемы. При обычной прокатке σ 1 > σ 2 > σ 3 , где σ 1 , σ 2 , и σ 3, соответственно, наибольшее, среднее и наименьшее главные нормальные напряжения (рис. 9).

Рис. 9. Схема напряженного состояния при прокатке

Металлы и их сплавы, подвергаемые пластической деформации, в твердом состоянии имеют кристаллическое строение и упорядоченное расположение атомов в объеме. Элементарные ячейки кристаллической структуры могут иметь вид объемноцентрированного куба, куба с центрированными гранями и гексагональной призмы (рис. 10).

Рис. 10. Элементарные кристаллические решетки металлов: а – гранецентрированная кубическая; б – объемноцентрированная кубическая; в – гексагональная

Совокупность элементарных ячеек образует в пространстве кристаллическую решетку. Плотность расположения атомов в различных плоскостях и направлениях в кристаллической решетке неодинакова, поэтому в разных плоскостях один и тот же кристалл может иметь различные свойства. Такая разница в свойствах металла называется анизотропией свойств.

Металлическое вещество состоит из кристаллов неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами. Неправильная форма зерен при геометрически правильной форме кристаллических решеток обусловлена тем, что процесс затвердевания жидкого металла начинается одновременно в большом количестве центров кристаллизации. Столкновение растущих кристаллов препятствует их росту и образованию правильной формы.

В металле кристаллиты ориентированы различно. Хотя каждый отдельный кристаллит имеет различные свойства по разным направлениям, но вследствие хаотического расположения кристаллитов, составляющих кусок металла, последний получает по всем направлениям приблизительно одинаковые свойства.

Пространственная решетка кристаллита не является идеальной по своему строению. В ряде участков она имеет искажения в результате, например, смещения группы атомов с мест устойчивого равновесия. Эти несовершенства кристаллических решеток называются дислокациями. Наличие дислокаций оказывает большое влияние на прочность металла, значительно снижая его сопротивление сдвигу.

Упругая деформация является результатом изменения расстояний между атомами в пространственной решетке, пластическая – результатом смещения групп атомов относительно друг друга.

Различают два основных вида деформации кристаллов: скольжение и двойникование (рис. 11).

Pиc. 11. Механизм пластической деформации:

а – скольжение; б – двойникование

Скольжение происходит по определенным плоскостям, которыеназываются плоскостями скольжения. Скольжение начинается тогда,когда значение сдвигающего усилия достигает вполне определенной величины, которая называется критическим скалывающим напряжением при сдвиге и обозначаетсяτ s . Эта величина зависит от температуры, скорости деформации и других условий.

Для осуществления пластической деформации к телу прикладывается внешняя сила, обычно направленная нормально к поверхности деформируемого тела. Нормальная сила в поликристаллическом теле вызывает касательные напряжения, под воздействием которых происходят сдвиги по плоскостям скольжения (рис. 12). Чтобы выяснить направление этих сдвигов, определим направления, по которым возникают наибольшие касательные напряжения.

Обозначим угол между плоскостью скольжения АВ и сечением F 1 , перпендикулярным действующей силе Р , через α . Площадь сечения образца по плоскости АВ будет равна:

.

Напряжение в направлении действия силы Р в сеченииАВ будет равно:

,

где

– нормальное напряжение в сечении, перпендикулярном направлению действия силы Р.

Касательные напряжения в сечении АВ находим, разлагая напряжениеS на два – нормальное σ α и касательное τ α ; тогда получим:

τ α = S sin α = σ 1 sin α cos α;

.

Из этого уравнения следует, что касательное напряжение будет максимальным при α = 45°. В этом случае оно равно:

.

Следовательно, при пластической деформации, когда превышается предел упругости металла, сдвиги начнутся в первую очередь в тех зернах, которые ориентированы так, что плоскости скольжения их совпадают с плоскостями максимальных напряжений, т. е. под углом 45° к направлению действующей силы.

Области плоскостей, по которым происходят сдвиги, вследствие искажения кристаллической решетки становятся более прочными, чем участки, где сдвиги не произошли. Поэтому при повышении нагрузки новые сдвиги пойдут в направлениях, параллельных первым сдвигам, или в других кристаллографически благоприятных плоскостях скольжения.

Сдвиги возникают в тех участках кристаллической решетки, где атомы смещены из положений устойчивого равновесия (наличие дислокации), так как потребное сдвигающее напряжение в плоскостях, имеющих дислокации, значительно меньше необходимых напряжений в плоскостях, где дислокации отсутствуют.

Пластическая деформация развивается путем образования все новых и новых сдвигов. Металл при этом упрочняется, так как число направлений для образования сдвигов все время уменьшается.

При двойниковании часть кристалла под действием деформирующего усилия поворачивается на некоторый угол, (рис. 11, а ), принимая зеркально отображенное положение относительно другой части (рис. 11,б ). Двой-никование при пластической деформации может или идти как самостоятельный процесс, или сопровождатьпроцесс скольжения. При этом двойникование возникает в тех зернах, где скольжение по каким-либо причинам задерживается. Процесс двойникования наблюдается при небольших пластических деформациях и чаще при больших скоростях деформирования, чем при малых.

Скольжение и двойникование являются процессами внутрикристаллитной деформации. Однако при пластической деформации имеет место и межкристаллитная деформация, т. е. изменение взаимного расположения и ориентировки зерен. Эти изменения приводят к однотипному расположению зерен в металле, которое называется текстурой.

При пластической деформации изменяются свойства деформируемого металла. С точки зрения влияния насвойства различают деформации четырех видов: 1) холодную; 2) горячую; 3) неполную горячую; 4) неполную холодную.

Холодная обработка давлением происходит при температурах ниже температуры возврата, которая для чистых металлов равна или несколько выше (0,25-0,30) Т пл (Т пл – абсолютная температура плавления). Возвратом, или отдыхом называют упорядочение кристаллической решетки, которое наблюдается при нагревеметалла в интервале температур 0-400°С.

Деформация металла в холодном состоянии сопровождается его упрочнением – наклепом. В результатеупрочнения повышаются пределы прочности и текучести, а также сопротивление металла деформированию. Одновременно с этим снижаются пластические свойства. При холодной деформации изменяется структура: зерна, деформируясь, вытягиваются. Такое ориентированное по направлению главной деформации изменение структуры приводит к анизотропии свойств, которая тем больше, чем больше степень деформации.

Холодная деформация влияет на магнитные и другие свойства металла.

Структура деформированного металла с искаженными кристаллическими решетками, размельченнымизернами, обладающими вследствие большой поверхности значительной внутренней энергией, крайне неустойчива. Достаточно небольшой температуры нагрева,чтобы в металле начались разупрочняющие процессы.

При температурах выше температур возврата начинается изменение микроструктуры металла, выражающееся в образовании новых равноосных зерен и в их укрупнении. Этот процесс носит название рекристаллизации. Рекристаллизация начинается при температурах Т ≥ 0,4 Т пл.

Нагрев холоднодеформированного металла приводит к изменению его свойств (рис. 13).

Горячая деформация производится при температурах выше температуры начала рекристаллизации (800-1230°С). Отличительной особенностью горячей деформации по сравнению с холодной является наличие двух одновременно идущих процессов: упрочнения и рекристаллизации.

Температура начала прокатки должна быть на 150-200°С ниже температуры плавления металла. Температура конца прокатки устанавливается в зависимости от содержания углерода в стали.

В результате горячей деформации происходит полная рекристаллизация с образованием новых равноосных зерен и полностью отсутствует упрочнение.

Возможны случаи, когда при горячей деформации рекристаллизация происходит не полностью – это неполная горячая деформация. В результате недостаточной рекристаллизации образуется микроструктура двух типов: рекристаллизованная (с равноосными зернами) и нерекристаллизованная (с вытянутыми зернами). После такой деформации в металле имеются значительные остаточные напряжения, приводящие при недостаточной пластичности к его разрушению.

Неполная холодная деформация осуществляется при таких температурах, когда рекристаллизация отсутствует, а процесс возврата успевает произойти. В результате такой деформации металл получает полосчатую структуру, а при значительных обжатиях – текстуру деформации. Вследствие снятия внутренних напряжений пластические свойства такого металла выше, чем холоднодеформированного.

Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.