Деформация и разрушение металлов: упругость, пластичность и дислокационные механизмы

Деформация представляет собой изменение геометрических параметров тела под воздействием приложенных напряжений. Напряжение определяется как сила, отнесенная к единице площади поперечного сечения материала. Возникновение напряжений и соответствующих деформаций возможно не только под действием внешних механических нагрузок (растяжение, сжатие, изгиб), но и вследствие внутренних процессов: фазовых превращений, усадки при кристаллизации, иных физико-химических изменений, сопровождающихся изменением объема. В любом нагруженном металле одновременно действуют нормальные и касательные напряжения, схематически представленные на рис. 6.1.

Рис.6.1. Схема возникновения нормальных и касательных напряжений в металле при его нагружении

Увеличение нормальных и касательных напряжений оказывает принципиально различное влияние на материал. Повышение нормальных напряжений способствует хрупкому разрушению, тогда как пластическая деформация инициируется касательными напряжениями. В зависимости от способности к восстановлению формы различают упругую и пластическую деформацию.

Упругая деформация обратима: после прекращения действия нагрузки геометрия тела полностью восстанавливается. На атомарном уровне это соответствует обратимому смещению атомов из положений равновесия без разрыва межатомных связей; при снятии напряжений атомы возвращаются в исходные позиции. На диаграмме зависимости деформации от напряжения (рис. 6.2) упругая область представлена линейным участком ОА. Когда нормальные напряжения превышают прочность межатомных связей, происходит хрупкое разрушение по механизму отрыва, как показано на рис. 6.3.

Рис.6.2. Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений

Рис.6.3. Схема упругой деформации и хрупкого разрушения под действием упругих напряжений: а – ненапряженная решетка металла; б – упругая деформация; в, г – хрупкое разрушение в результате отрыва

Связь между упругой деформацией (ε) и напряжением (σ) подчиняется закону Гука: σ = E·ε, где E — модуль упругости (модуль Юнга). Эта величина количественно характеризует жесткость межатомных связей и является структурно-нечувствительной: термическая обработка и изменение микроструктуры практически не влияют на модуль упругости, тогда как повышение температуры, увеличивая межатомные расстояния, приводит к его снижению.

Пластическая (остаточная) деформация не исчезает после снятия нагрузки; она возникает вследствие необратимого сдвига одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений. Механизм пластического течения иллюстрирует рис. 6.4. При дальнейшем нагружении развитие пластической деформации может завершиться вязким разрушением по механизму среза.

Рис.6.4. 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 обладают кристаллическим строением, поэтому характер их деформации определяется типом кристаллической решетки и наличием структурных дефектов. В монокристаллах пластическая деформация реализуется двумя основными механизмами: скольжением и двойникованием.

Трансляционное скольжение заключается в сдвиге одних атомных слоев относительно других по кристаллографическим плоскостям с наиболее плотной упаковкой (рис. 6.5, а). Сдвиг происходит на величину, кратную межатомному расстоянию, при этом кристаллическая структура в сдвинутых областях сохраняется. Скольжение является основным механизмом деформации при обработке металлов давлением.

Двойникование (рис. 6.5, б) представляет собой зеркальный поворот части кристалла относительно плоскости двойникования. Этот механизм характерен для металлов с ОЦК и ГПУ решетками, особенно при низких температурах и высоких скоростях нагружения. Двойникование также может возникать при отжиге деформированных материалов (например, в меди и латуни), однако вклад двойникования в общую деформацию обычно невелик.

Рис.6.5. Схемы пластической деформации различными способами: а – скольжением; б – двойникованием

Дислокационный механизм пластической деформации. Классические представления об одновременном сдвиге целых блоков кристалла приводят к теоретическим значениям критического сдвигового напряжения, на несколько порядков превышающим экспериментальные данные (например, для железа расчетное напряжение сдвига составляет ~… МПа, тогда как реальное — около … МПа). Современная теория пластичности объясняет это явление наличием и движением дислокаций — линейных дефектов кристаллической решетки.

Согласно дислокационной модели, скольжение происходит последовательно, путем перемещения дислокации вдоль плоскости сдвига (рис. 6.6, а). В исходном состоянии дислокация неподвижна. Под действием касательного напряжения экстраплоскость смещается, разрывая связи лишь между двумя соседними рядами атомов, что требует значительно меньших усилий, чем одновременный сдвиг всех атомов выше плоскости скольжения. При прохождении дислокации через весь кристалл верхняя часть зерна оказывается сдвинутой относительно нижней на одно межатомное расстояние (рис. 6.6, б). Таким образом, пластическая деформация реализуется при напряжениях, близких к реальным значениям.

Рис.6.6. Схема дислокационного механизма пластической деформации: а – перемещение атомов при движении краевой дислокации на одно межатомное расстояние; б – перемещение дислокации через весь кристалл

Разрушение металлов. При достижении предельных напряжений процесс деформации завершается разрушением, которое протекает через стадии зарождения, роста и распространения трещины. В зависимости от механизма различают хрупкое и вязкое разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва под действием нормальных растягивающих напряжений без заметной предварительной пластической деформации. Зарождение трещины связано с концентрацией напряжений у препятствий (границы зерен, включения), вызванной скоплением дислокаций. Когда локальные напряжения превышают прочность, образуется острая трещина, которая распространяется с высокой скоростью (близкой к скорости звука), практически без затрат энергии на пластическую деформацию. Излом при хрупком разрушении имеет кристаллический блеск и ручьистый узор, плоскость излома перпендикулярна направлению нормальных напряжений. Разрушение может быть транскристаллитным (по телу зерна) или интеркристаллитным (по границам зерен).

Вязкое разрушение инициируется касательными напряжениями и всегда сопровождается интенсивной пластической деформацией. Трещина имеет тупой раскрывающийся профиль, а перед ее фронтом формируется обширная пластическая зона. Скорость роста трещины невелика, а энергоемкость процесса высока за счет работы пластической деформации. Поверхность излома матовая, волокнистая, располагается под углом к направлению нормальных напряжений. Анализ вида излома позволяет судить о природе разрушения.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.