Содержание:

Наиболее эффективные технологические процессы обработки металлов и сплавов происходят при их пластическом формоизменении в горячем или холодном состояниях. Для этого необходимо создать внешние силы, под действием которых происходит деформация металла.

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Прикладываемые к кристаллу/кристаллам внешние силы вызывают упругую и – далее - пластическую деформацию. В последнем случае потребуется нагрузить кристалл таким усилием, чтобы происходящие внутри него изменения приобрели необратимый характер. Для каждого металла момент перехода упругих деформаций в пластические строго индивидуален, и определяется соотношением значений предела временного сопротивления к пределу пластичности/текучести.

Физическая природа деформации металлов

Этот процесс включает в себя упругую и остаточную стадии. Возникающие при этом деформации подразделяются на три группы:

  1. Упругие, т.е., такие, которые полностью исчезают при снятии приложенных внешних сил. Тело при этом приобретает свои первоначальные размеры. Изучением упругих деформаций занимаются теория упругости и сопротивление материалов. Связь между напряжениями и деформациями в этом случае линейна и подчиняется закону Гука.

  2. Упругопластические, которые возникают тогда, когда упругая и пластическая (остаточная) составляющие соизмеримы между собой. Изучение упругопластических деформаций имеет значение для всесторонней оценки запаса прочности металла, поскольку в практике металлообработки такой вид деформации не используется.

  3. Пластические/конечные, при которых упругие изменения формы незначительны, и ими можно пренебречь. Здесь зависимость напряжений и деформаций не носит линейного характера, и зависит от множества факторов.

Любой реальный металл представляет собой совокупность анизотропных кристаллов, ориентация которых произвольна. Поэтому предполагается, что во всех направлениях имеется приблизительно одинаковое количество одинаково ориентированных зёрен. Именно поэтому свойства металла во всех направлениях одинаковы и определяются некоторыми средними значениями. Квазиизотропность металлов облегчает изучение физических основ их деформирования.

Деформация металлов

Основой для любого изменения формы металла является наличие дефектов в его структуре, прежде всего – дислокаций. С помощью теории дислокаций объясняются механизмы разрушения металла, его кристаллизация, упрочнение/разупрочнение и пр. Ключевым положением теории дислокации является то, что любое изменение формы представляет собой результат перемещения и размножения дефектов в кристаллической решётке. При этом механизм деформации рассматривается на уровне отдельных атомов. Такое представление позволяет анализировать многие физические явления, происходящие в деформируемом теле под нагрузками, при повышенных температурах и т.д.

Упругая деформация

Как уже указывалось, такой вид деформации представляет собой изменение формы материала во времени, которая самопроизвольно снимается после снятия силы или внешней нагрузки. Форма материала изменяется при приложении силы в пределах предела упругости металла, иначе называемого модулем Юнга. Это физическое свойство гарантирует, что эластичные материалы возвращают свои первоначальные размеры после снятия приложенной нагрузки. Здесь деформация обратимая и непостоянная. Упругая деформация металлов обычно наблюдается при малых формоизменениях; их упругое поведение, как правило, линейно.

Упругая деформация включает временное растяжение или искривление связей между атомами кристаллической решётки. Например, при изгибе стального листа все имеющиеся в металле дислокации и связи изгибаются (либо растягиваются) только на несколько процентов, но относительного перемещения атомов при этом не наблюдается. Такая деформация может быть вызвана приложением внешних сил сдвига, которые вызывают соответствующие напряжения растяжения/сжатия.

Наличие упругой деформации материала позволяет всем связям восстанавливаться после напряжения. Но со временем эти свойства ухудшаются, а в некоторых условиях металл может стать хрупким и потерять пластичность. Примером могут служить изменения, которые происходят в олове. При резких температурных колебаниях этот металл становится менее пластичным (известны аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот, которые в Средние Века именовали оловянной чумой). Часто изменения вызываются воздействиями определённых химикатов, снижающих эластические характеристики металлов.

Деформация стали

Эластичность (пружинистость) стали повышается при увеличении процентного содержания углерода в ней. Не случайно для производства автомобильных рессор принимают специальные марки сталей, количество углерода в которых не должно быть менее 0,62…0,70 % (ГОСТ 14959-2016). Упругость таким сталям придаёт также повышенный процент марганца и кремния.

Пластическая деформация

Теория дислокаций утверждает, что с приложением нагрузки к реальным кристаллам металла смещение одной части кристалла относительно другой происходит не одновременно по всей площади скольжения. Начинается оно в точке дефекта кристалла и распространяется при значительно меньшем внешнем усилии, чем при одновременном скольжении целого блока атомов. Значительное расхождение между теоретическими и фактическими значениями напряжений (например, для меди оно составляет 1540 МПа и 1 МПа, для железа – 2300 МПа и 29 МПа) объясняется наличием в стали структурных дефектов, около которых сдвиг вначале локализуется, а затем распространяется вместе с самим дефектом с некоторой скоростью.

Дислокации располагаются в наиболее плотноупакованных плоскостях кристаллической решётки. При возрастании нагрузки первыми начинают двигаться дислокации той плоскости скольжения, в которых касательные напряжения максимальны. Для начала пластического течения необходимо, чтобы касательное напряжение превышало критическое значение, величина которого зависит от исходной структуры деформируемого металла. Данное обстоятельство предопределяет необходимость учёта истории деформирования материала, что позволяет определять количественные и качественные параметры процесса пластической деформации.

Разрушение металлов

Виды пластической деформации металлов определяются характером перемещения кристаллов во время приложения усилия. Такое перемещение может происходить скольжением и двойникованием.

Скольжение

Скольжение является основным видом пластической деформации идеального кристалла. Обычно в качестве плоскостей скольжения выступают плоскости с наибольшей плотностью расположения атомов, а направлениями скольжения являются направления, по которым межатомные расстояния имеют минимальное значение.

В гексагональной решётке можно провести только одну плоскость, в которой расположено наибольшее число атомов – это плоскость основания. В решётках кубической формы таких плоскостей больше. Поэтому при прочих равных условиях металлы с гексагональной решёткой менее пластичны, чем металлы с кубической решёткой.

Пластическое деформирование начинается, прежде всего, в тех плоскостях скольжения, и по тем направлениям, которые расположены под оптимальным углом по отношению к внешней силе. Так, при сжатии и растяжении пластическая деформация возникает в первую очередь в плоскостях, расположенных под углом 450 к линии действия внешней силы.

Скольжение является сдвиговым деформационным процессом. Известно, что если отполированный образец из моно- или поликристалла подвергнуть нагружению, то при определённой нагрузке на поверхности образца появляются сетки линий скольжения, называемые линиями Чернова-Людерса. Эти линии качественно характеризуют сдвиг одних частей образца относительно других.

Двойникование

В некоторых металлах – магнии, цинке, золоте, железе – наряду со скольжением наблюдается двойникование. При двойниковании происходит поворот деформированной части кристалла в положение, зеркальное по отношению к деформированному. Однако и в этом случае происходит сдвиг атомов в новые положения устойчивого равновесия на расстояния, которые пропорциональны основному параметру решётки.

Двойникование часто возникает при ударном деформировании и распространено для металлов и сплавов, кристаллизация которых происходила с образованием кристаллитов в форме многогранников.

Деформация металлов и сталей

Как происходит разрушение металлов

Процесс разрушения металлов адекватно описывается методами специальной механики разрушения. Исходное положение теории заключается в том, что разрушение элементов конструкций связано с возникновением и развитием трещин, которые проявились:

  • В процессе изготовления деталей (сварка, шлифовка, закалка);

  • В период их эксплуатации вследствие превышения допустимых нагрузок;

  • Как следствие коррозионных явлений.

Механика разрушения учитывает влияние дефектных участков при анализе напряжённого состояния конструктивных элементов и при определении реальных характеристик материала во время испытаний. Такие испытания должны проводиться с образцами, в которых имеются искусственно наведенные трещины.

В результате испытаний устанавливаются количественные связи между номинальными напряжениями, формой и размерами дефекта, с одной стороны, и сопротивлением материала в условиях стабильного и нестабильного варианта развития трещины – с другой. Именно в этом заключается принципиальная основа использования методов механики разрушения при выборе материала, определения размера и установления срока службы деталей машин и элементов металлоконструкций.

Установлено, что при оценке вероятности и времени разрушения металла следует рассматривать изотропную пластину бесконечной длины и конечной толщины, внутри которой имеется трещина. Критерием развития трещины принимают параметр интенсивности поля напряжений в зоне одного из концов трещины (критерий Ирвина), при этом радиусные переходы между участками равны 0. Раскрытие трещины (после чего и наступает разрушение) происходит при максимальном уровне растягивающих напряжений у её краёв.