Изменение структуры и свойств металлов при пластической деформации

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или внутренних напряжений. Различают упругую и пластическую деформацию.

Деформацию называют упругой, если первоначальная форма твердого тела после прекращения действия нагрузки полностью восстанавливается. При упругих деформациях происходит обратимое смещение атомов от равновесного положения на величину, которая меньше межатомных расстояний. После снятия внешней нагрузки каждый атом возвращается в положение равновесия, в результате упругие деформации и напряжения исчезают.

Пластическая деформация вызывает остаточные изменения формы тела, которые увеличиваются, вплоть до разрушения, с возрастанием нагрузки. При пластических деформациях происходит смещение атомов на величину больше межатомных расстояний, что проявляется в виде сдвига одной части кристалла относительно другой. При этом происходит необратимое изменение формы и размеров тела, которое остается после снятия внешней силы (нагрузки).

Внешняя сила действует в интервале нагрузок, соответствующих пределу упругости и пределу прочности металла. При этом растут внутренние напряжения, создается анизотропия механических и физических свойств, уменьшается возможность дальнейшей пластической деформации без разрушения, которое наступает после предельно возможной критической степени пластической деформации металла.

Поскольку реальные металлы имеют поликристаллическую структуру, течение металла начинается со скольжения по некоторым кристаллографическим плоскостям отдельных зерен, благоприятно ориентированных по отношению к действующим напряжениям. Форма зерен изменяется – они вытягиваются за счет внутризернового скольжения в определенном направлении, образуя слоистую текстуру (рис.2.1).

а – деформация зерен 1, 2, 3, 4, плоскости, скольжения которых благоприятно ориентированы в направлении деформирующей

силы Р; б – поворот и скольжение новых зерен в положении, благоприятном для деформации; в – зерна, вытянутые в направлении

интенсивного течения металла

Рисунок 2.1 -  Схема развития пластической деформации

Поликристалла

Процесс пластической деформации металлов сопровождается ростом числа дефектов кристаллической решетки, искривлениями плоскостей скольжения, появлением обломков кристаллов в плоскостях скольжения, а также структурными превращениями.

Все это препятствует перемещению дислокаций, способствует их накапливанию и взаимодействию друг с другом.

Рисунок 2.2 -  Изменение механических свойств металла

при пластической деформации

Таким образом, процесс пластической деформации сопровождается накоплением дислокаций в металле. В результате подвижным дислокациям приходится преодолевать все более плотное поле упругих напряжений, и, следовательно, касательное напряжение, необходимое для их перемещения, возрастает.

Торможение движения дислокаций обуславливает повышение сопротивления металла дальнейшей деформации. Это явление носит название деформационного упрочнения, или наклепа. Оно проявляется в увеличении после пластической деформации предела прочности, твердости и других характеристик сопротивления металла деформации и в уменьшении относительного удлинения, сужения и других характеристик способности металла деформироваться (рис. 2.2).

Величина наклепа зависит от степени деформации, которая характеризует изменение размеров заготовки по сравнению с первоначальными. Например, при осадке, т.е. уменьшении высоты заготовки (рис. 2.3), степень деформации определяют по формуле:

Рисунок  2.3 -Изменение формы заготовки и структуры металла при осадке