Упругая и пластическая деформация. Наклеп. Рекристаллизация.

Деформация – изменение размеров и формы материала под действием приложенных сил, которые могут быть как внешними, приложенными к телу, так и внутренними, вследствие физико-механических процессов в самом теле.

Деформации подразделяют на:

– упругие, исчезающие после снятия нагрузки;

–пластические, которые остаются после окончания действия приложенных сил.

Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью.

Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и устраняет влияние концентраторов напряжений.

Механизм пластического деформирования заключается в том,

при возрастании касательных напряжений в металле выше определенной величины деформация становится необратимой и после снятия нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, а пластическая составляющая остается, т.е. происходит сдвиг одной части металла относительно другой.

Сдвиг может осуществляться скольжением и двойникованием.

При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, которая называется плоскостью скольжения или сдвига.

Двойникование сводится к переориентировке части кристалла в положение, зеркально симметричное к его недеформированной части. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение и возникает в случае, когда скольжение затруднено.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов.

Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них может происходить по многим направлениям.

Металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой менее пластичны и труднее поддаются деформации.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Повышение плотности дислокаций до 10¹¹…10¹² см^-2 вместо 10⁶…10⁸ см^-2 до деформации приводит к упрочнению металлов при деформации.

С ростом степени деформации в результате процессов скольжения зерна вытягиваются в направлении приложенных сил, образуя волокнистую или слоистую структуру, при этом внутри самих зерен происходит дробление блоков. При этом возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен – текстура деформации

При холодном пластическом деформировании происходит увеличение прочностных характеристик сплава и уменьшению его пластичности и ударной вязкости. Это явление получило название наклепа. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

В результате наклепа поверхностного слоя в нем возникают напряжения сжатия. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием мягких и пластичных сплавов.

Состояние деформированного (наклепанного) сплава термодинамически неустойчиво даже при комнатных температурах. При нагреве ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются благоприятные условия для

перераспределения дислокаций и уменьшения их количества. В процессе нагрева деформированного металла в нем протекают процессы рекристаллизации и при этом происходит возвращение всех свойств сплава к их значениям до деформации.

Рекристаллизация – это процесс зарождения и роста новых равноосных зерен, которые поглощают деформированные.

В зависимости от температуры нагрева рекристаллизация бывает:

– первичная;

–вторичная;

– собирательная.

При первичной рекристаллизации старые зерна наклепанного металла не восстанавливаются, а образуются новые зерна округлой формы вместо ориентированной структуры деформации (рис. 3.1, а,б, в). В результате рекристаллизации практически полностью снимается наклеп, свойства рекристаллизованного металла становятся сопоставимыми со свойствами отожженного.

Рис. 3.1. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г – рост зерен; д – образование равновесной структуры.

Температура рекристаллизации, при которой происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации (Трек).

Трек = α Тплавления,

где:

α - безразмерный коэффициент, учитывающий чистоту металла и степень деформации металла .

Для технически чистых металлов коэффициент α составляет порядка 0,3…0,4. У сплавов на основе твердых растворов α=0,5…0,6, а для многокомпонентных сплавов, упрочненных тугоплавкими частицами второй фазы, значения коэффициента α может достигать 0,7…0,8.

Собирательная рекристаллизация –рост одних рекристаллизованных зерен за счет других после завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева (рис. 3.1, г). Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела.

Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост одних зерен за счет других , в результате чего структура представляет собой смесь очень мелких и крупных зерен. Возникшая разнозернистость структуры отрицательно сказывается на всех механических свойствах металла.

Размер рекристаллизованного зерна оказывает большое влияние на свойства металлов и сплавов. С уменьшением размера зерна повышаются характеристики прочности и пластичности, увеличивается вязкость металла.