Влияние пластической деформации на прочность и пластичность металла

Прочность монокристалла зависит от количества имеющихся в нем искажений кристаллической решетки. С увеличением числа дефектов (нарушения правильности строения кристалла) прочность металла увеличивается. Это связано с тем, что каждое нарушение правильности кристаллического строения создает локальное энергетическое поле (атомы смещены из положения с минимумом потенциальной энергии), а при большем количестве дефектов взаимодействие этих полей затрудняет перемещение атомов в новые положения равновесия. На этом явлении основано повышение прочностных характеристик легированием металла, особенно элементами, имеющими размеры атомов, существенно отличающиеся от размеров атомов основного металла.

Уменьшение дефектов до нуля (дислокации отсутствуют) также повышает прочностные характеристики. Прочность приближается к теоретически возможной, исходя из взаимодействия между атомами. Зависимость прочностных характеристик от количества внутренних дефектов в монокристалле характеризуется кривой (рис. 4.1), имеющей минимум. Кристаллы без несовершенств (дефектов) удается получить лишь в виде тонких проволок (монокристальные волокна), которые используют при создании композиционных материалов.

Рис.4.1 - Зависимость прочности кристалла от числа дефектов (плотность дислокаций)

Прочностные характеристики поликристалла существенно зависят от размеров зерен. Качественно эти зависимости можно представить кривой, приведенной на рис. 4.2. Увеличение прочностных характеристик с уменьшением размеров зерен объясняется тем, что границы зерен являются барьером для дислокаций, способствуют их скоплению, которое препятствует началу пластических деформаций, т. е. повышает прочность. Дальнейшее уменьшение размеров зерен может привести к резкому снижению сопротивления деформированию (переход в состояние «сверхпластичности»). В этом состоянии металл способен удлиняться на 1-2 порядка больше, чем тот же металл в обычном состоянии, практически не упрочняясь.

Рис. 4.2 - Прочность поликристалла в зависимости от изменения размера составляющих его зерен

Сверхпластичность проявляется в случае, если металл имеет весьма мелкозернистое строение (размеры 1…5 мкм), при нагреве до определенных температур и деформировании с весьма малыми скоростями. В условиях сверхпластичности деформация происходит в основном в результате межкристаллитного скольжения зерен относительно друг друга. При этом внутризёренная деформация незначительна. Режим сверхпластичности можно отождествить с механизмом вязкого течения, при котором сопротивление деформированию существенно зависит от скорости деформации, а упрочнение отсутствует. Он откры­вает широкие возможности штамповки, например, из плоской листовой заготовки сложных пространственных деталей давлением атмосферного воздуха (вакуумные прессы) с достаточно равномерным распределением толщин в отштампованной детали. Однако сложность создания условий сверхпластичности пока сдерживает широкое применение этого вида штамповки в промышленности.

Обработка давлением может оказывать влияние на величину зерен, а, следовательно, и на конечные характеристики получаемых деталей.

При холодной обработке давлением зерна дробятся и одновременно получают вытянутую форму с наибольшим размером в направлении более интенсивного течения. При этом по мере увеличения формоизменения прочностные характеристики возрастают, а характеристики пластичности уменьшаются (упрочнение как бы охрупчивает металл). В процессе большого формоизменения возможно разрушение заготовки. В этом случае требуется расчленять процесс деформирования на отдельные операции и переходы, вводя в промежутках между ними операции рекристаллизационного отжига.

В условиях горячей деформации, когда рекристаллизация успевает происходить в процессе деформирования, величина зерен в получаемой поковке зависит от температуры на заключительных стадиях обработки и величины деформаций.

Из сказанного следует, что при обработке давлением имеются широкие возможности управления процессами деформирования и термообработки с целью получения размеров зерен, обеспечивающих наилучшие служебные свойства изделий.