Виды деформации

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил (напряжений, т. е. растяжения, сжатия, фазовые превращения, усадка и другие физико-химические процессы, связанные с трансформацией объема). Деформация может быть упругой и пластической (остаточной). Упругой (обратимой) называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняется после прекращения действия внешних сил. Она не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла, а приводит только к незначительному относительному и обратимому смещению ядерных остовов в решетке, вновь прерывающемуся после снятия напряжения. Величина таких отклонений не превышает расстояния между соседними атомами.

Пластической именуют деформацию, остающуюся после прекращения воздействия наружных факторов на металл. При ней структура и свойства металлов изменяются необратимо. Кроме того, пластическая деформация сопровождается дроблением крупных зерен на более мелкие, а при значительных ее степенях также регистрируется заметное изменение их формы и расположение в пространстве, причем между зернами возникают пустоты. Она осуществляется путем относительного сдвига ядер в новые положения устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные в кристаллической решетке. Скольжение происходит по плоскостям (направлениям) с наиболее плотной упаковкой атомов. Эти направления зависят от типа кристаллической решетки. У a-железа, вольфрама, молибдена и других металлов с объемноцентрированной кубической решеткой существует шесть плоскостей сдвига и в каждой из них по два направления смещения, и так называемая система скольжения состоит из 6·2 = 12 элементов сдвига. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой (g-железо, медь, алюминий и др.) имеют четыре плоскости с тремя направлениями смещения в каждой, т. е. они также обладают 4·3 = 12 элементами сдвига. У цинка, магния и других металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой существуют одна плоскость с тремя направлениями и три элемента скольжения. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла.

Катионы в узлах решетки находятся в равновесном состоянии и обладают минимальной внутренней энергией. Смещение ядер на один параметр решетки называется преодолением энергетического барьера. Для этого необходимо приложение сил или давления (t_теор). Оно должно быть очень большим. В реальных металлах пластическая деформация происходит при напряжениях в сотни и тысячи раз меньше теоретического. Расхождение между теоретическим и реальным сопротивлением сдвигу, т. е. теоретической и реальной прочностью при деформации, объясняется дислокационным механизмом.

По современным представлениям пластическая деформация осуществляется под действием внешних сил в результате последовательного перемещения небольшого числа катионов в области дислокации или иначе трансформации дислокаций.

Скольжение или сдвиг по определенным кристаллографическим плоскостям является основным, но не единственным механизмом пластической деформации. В некоторых случаях она может осуществляться двойникованием, сущность которого заключается в том, что под действием приложенных сил одна часть решетки оказывается смещенной относительно другой, занимая симметричное положение и являясь как бы ее зеркальным отражением. По современным представлениям, двойникование связано с движением дислокаций.

Зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им деформацией характеризует механические свойства металлов (рис. 1.57). Наклон прямой ОА показывает жесткость. Тангенс ее угла (tga) пропорционален модулю упругости. Различают два его вида. Модуль нормальной упругости – Юнга (G) = tga, и касательной упругости – Гука (E).

Рис. 1.57 - Диаграмма истинных напряжений при деформации металлов

Возможность металлов значительно деформироваться называется «сверхпластичностью». В общем случае сверхпластичность – это способность металлов к повышенной равномерной деформации без упрочнения. Существует несколько ее разновидностей. Наиболее же перспективна структурная сверхпластичность. Она проявляется при температурах выше половины значения температуры плавления металлов с величиной размера зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации 10^-5 - 10^-1 с^-1. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Данное явление в промышленности применяют главным образом при объемной изотермической штамповке. Недостатком ее является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформации. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации пластичность металла не уменьшается и не происходит локальных изменений формы и размеров материала. Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала – это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации.