Физическая природа деформации металлов

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

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.

Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема возникновения нормальных и касательных напряжений в металле при его нагружении

Рост нормальных и касательных напряжений приводит к разным последствиям. Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.

При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.

Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рис.4.3).

Рис. 4.3. Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений σ

Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомных связей, то наблюдается хрупкое разрушение путем отрыва (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема упругой деформации и хрупкого разрушения

под действием упругих напряжений: а − ненапряженная решетка металла; б − упругая деформация; в, г − хрупкое разрушение в результате отрыва

Зависимость между упругой деформацией ɛ и напряжением σ выражается законом Гука:

σ = Е ^. ɛ , (4.10)

где Е −модуль упругости.

Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рассматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле.

Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т.е. термическая обработка или другие способы изменения структуры не изменяют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющее межатомные расстояния, снижает модуль упругости.

Пластической, или остаточной, называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рис. 4.5). В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.

Рис. 4.5. Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием

касательных напряжений: а − ненапряженная решетка; б − упругая деформация;

в − упругая и пластическая деформация; г − пластическая деформация;

д, е − пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Природа пластической деформации.Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, и характер их деформации зависит от типа кристаллической структуры и от наличия несовершенств в этой структуре.

Рассмотрим пластическую деформацию в монокристалле.

Пластическая деформация может протекать под действием касательных напряжений и осуществляться двумя способами.

1. Трансляционное скольжение по плоскостям (рис. 4.6 а). Одни слои атомов кристалла скользят по другим слоям, причем они перемещаются на дискретную величину, равную целому числу межатомных расстояний.

В промежутках между полосами скольжения деформация не происходит. Твердое тело не изменяет своего кристаллического строения во время пластической деформации и расположение атомов в элементарных ячейках сохраняется. Плоскостями скольжения являются кристаллографические плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. Это наиболее характерный вид деформации при обработке давлением.

2. Двойникование − поворот одной части кристалла в положение, симметричное другой его части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования (рис. 4.6 б).

Двойникование чаще возникает при пластической деформации кристаллов с объемно-центрированной и гексагональной решеткой, причем с повышением скорости деформации и понижением температуры склонность к двойникованию возрастает.

Двойникование может возникать не только в результате действия внешних сил, но и в результате отжига пластически деформированного тела. Это характерно для металлов с гранецентрированной кубической решеткой (медь, латунь). Двойникованием можно достичь незначительной степени деформации.

Рис. 4.6. Схемы пластической деформации различными способами: а − скольжением; б − двойникованием