Конструкционная прочность металлов: влияние пластической деформации и нагрева на механические свойства

В результате испытаний материалов определяют комплекс характеристик, которые подразделяются на три основные группы. К силовым характеристикам относятся предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности и предел выносливости. Деформационные характеристики включают относительное удлинение и относительное сужение, тогда как энергетические представлены таким параметром, как ударная вязкость. Данные характеристики в совокупности определяют общую прочность материала, вне зависимости от его конкретного назначения, конструктивных особенностей или условий последующей эксплуатации.

Высокое качество готовой детали может быть достигнуто только при всестороннем учете всех особенностей рабочего процесса, которые напрямую влияют на формирование ее конструкционной прочности. Под конструкционной прочностью понимают комплекс прочностных свойств материала, находящихся в наибольшей корреляции со служебными характеристиками готового изделия. Именно этот комплекс обеспечивает длительную и надежную работу материала в реальных условиях эксплуатации.

На формирование конструкционной прочности оказывает влияние целый ряд факторов, связанных с особенностями проектирования и эксплуатации. К ним относятся конструкционные особенности детали, такие как ее форма и геометрические размеры, а также механизмы различных видов разрушения. Существенное значение имеет состояние материала в поверхностном слое детали и процессы, протекающие в этом слое, которые могут приводить к отказам в процессе работы.

Необходимым условием для создания качественных и надежных конструкций при экономном расходовании материала является учет дополнительных критериев, напрямую влияющих на конструкционную прочность. Этими ключевыми критериями выступают надежность и долговечность изделия. Надежность определяется как свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в установленных пределах в течение требуемого времени, что также можно охарактеризовать как сопротивление материала хрупкому разрушению.

Развитие хрупкого разрушения обычно активизируется при низких температурах, наличии трещин, повышенных остаточных напряжениях, а также вследствие развития усталостных процессов и коррозии. К основным критериям, определяющим надежность материала, относятся температурные пороги хладноломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности и живучесть.

Долговечность представляет собой способность детали сохранять работоспособность вплоть до наступления предельного состояния. Этот параметр определяется такими процессами, как усталость металла, износ, коррозия и другие явления, которые вызывают постепенное разрушение. В отличие от хрупкого разрушения, эти процессы, как правило, не влекут за собой немедленных аварийных последствий и напрямую зависят от условий работы.

Критериями, определяющими долговечность материала, служат усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии и контактная прочность. Выбор критериев для объективной оценки конструкционной прочности базируется на нескольких общих принципах. Это аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и реальных изделиях, аналогия условий испытания и условий эксплуатации (температура, среда, порядок нагружения), а также аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии.

Особенности деформации поликристаллических тел и влияние нагрева. Рассмотрим процесс холодной пластической деформации поликристалла. Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллической структуры имеет ряд особенностей по сравнению с деформацией монокристалла. Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются посредством скольжения и двойникования, однако взаимная связь зерен и их множественность вносят свои коррективы в механизм деформации.

Плоскости скольжения в различных зернах произвольно ориентированы в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в этих плоскостях будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна постепенно разворачиваются и вовлекаются в процесс деформации, что приводит к изменению их формы: они вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла, поворачиваясь осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.

Рис. 8.1. Изменение структуры при деформации: а) до деформации; б) после обжатия на 35%; в) после обжатия на 90%.

В результате интенсивной пластической деформации металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями становятся причиной анизотропии свойств, то есть их неодинаковости вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение пространственной ориентировки их кристаллических решеток, и когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, формируется текстура деформации.

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла: наклеп. Текстура деформации создает кристаллическую анизотропию, при которой наибольшая разница свойств наблюдается для направлений, расположенных под углом 45° друг к другу. С увеличением степени деформации характеристики пластичности и вязкости, такие как относительное удлинение и ударная вязкость, неуклонно снижаются. В то же время прочностные характеристики, включая предел упругости, предел текучести и предел прочности, а также твердость, закономерно возрастают, что наглядно демонстрирует зависимость механических свойств от степени обработки.

Рис.8.2. Влияние холодной пластической деформации на механические свойства металла

Помимо изменения механических свойств, холодная пластическая деформация вызывает повышение электросопротивления, а также снижение сопротивления коррозии, теплопроводности и магнитной проницаемости материала. Совокупность всех этих явлений, связанных с изменением механических, физических и химических свойств металлов в процессе пластической деформации, получила название деформационного упрочнения или наклепа. Упрочнение при наклепе объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций, чье свободное перемещение затрудняется из-за взаимного влияния, торможения у границ зерен и возникновения внутренних напряжений.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация. Деформированный металл находится в термодинамически неравновесном, метастабильном состоянии. Переход к более равновесному состоянию связан с уменьшением искажений кристаллической решетки и снятием внутренних напряжений, что становится возможным благодаря повышению подвижности атомов. При низких температурах диффузионная подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться практически неограниченно долго.

При повышении температуры нагрева после пластической деформации диффузионные процессы активизируются, и начинают действовать механизмы разупрочнения, возвращающие металл в равновесное состояние. К таким процессам относятся возврат и рекристаллизация. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций и частичное устранение внутренних напряжений, что ведет к восстановлению кристаллической решетки.

Процесс частичного разупрочнения и восстановления исходных свойств без изменения микроструктуры называется отдыхом, который является первой стадией возврата. Возврат уменьшает искажения кристаллической решетки, но практически не влияет на размеры и форму зерен, а также не препятствует сохранению текстуры деформации. Одним из важных процессов при возврате является полигонизация — деление зерен на фрагменты (полигоны) в результате скольжения и переползания дислокаций.

Рис. 8.3. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.

При температурах возврата происходит группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, что приводит к делению исходного зерна на отдельные малоугловые границы. В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей свободной энергией, поэтому образование полигонов является энергетически выгодным процессом. В результате полигонизации, которая протекает при небольших степенях пластической деформации, прочность может понизиться на 10-15%, а пластичность, напротив, несколько повыситься.

Рис. 8.4. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойства

При дальнейшем нагреве деформированного металла до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает настолько, что запускается процесс рекристаллизации. Рекристаллизация представляет собой процесс зарождения и роста новых, недеформированных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Нагрев до температур рекристаллизации сопровождается кардинальным изменением микроструктуры и свойств, приводя к резкому снижению прочности при одновременном и значительном возрастании пластичности.

Рис. 8.5. Изменение структуры деформированного металла при нагреве

Первая стадия этого процесса, называемая первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки, заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равноосных зерен. Новые зерна возникают преимущественно у границ старых, деформированных зерен и блоков, где кристаллическая решетка была наиболее искажена. Движущей силой первичной рекристаллизации является избыточная энергия, аккумулированная в наклепанном металле.

Вторая стадия, собирательная рекристаллизация, заключается в росте образовавшихся новых зерен за счет друг друга. Движущей силой здесь выступает поверхностная энергия границ зерен: при мелких зернах протяженность границ велика, и система обладает большим запасом поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние. Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления металла, и для различных материалов она составляет определенную долю от температуры плавления, выраженной в Кельвинах.

На свойства металла огромное влияние оказывает размер зерен, сформировавшихся в результате рекристаллизации. Образование крупных зерен при нагреве до определенной температуры приводит к снижению прочности и, что особенно важно, пластичности. Основными факторами, определяющими конечную величину зерна, являются температура и продолжительность выдержки при нагреве, а также степень предшествующей пластической деформации.

Рис. 8.6. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

С повышением температуры и увеличением времени выдержки происходит неуклонное укрупнение зерен. Наиболее крупные зерна образуются после так называемой критической степени деформации, которая составляет, как правило, 3-10%. Такая степень деформации крайне нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига, так как приводит к неконтролируемому росту зерна и ухудшению механических свойств. На практике рекристаллизационный отжиг для различных материалов проводят в строго определенных температурных интервалах, обеспечивающих получение мелкозернистой и однородной структуры.

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.