Напряжения и деформации в металлических материалах

Механические силы, неравномерность нагрева, структурные превращения приводят металлические материалы в напряженно-деформированное состояние. По масштабу действия различают: макронапряжения I рода, которые уравновешивается в объеме всего тела; микронапряжения II рода, уравновешиваются в объеме кристаллитов и микронапряжения III рода, локализованные в объеме кристаллической ячейки (нарушения порядка).

С возрастанием механических нагрузок вначале наблюдается упругая, затем пластичная деформации и после превышения определенного порога - разрушение.

Упругая деформация связана с небольшими обратимыми смещениями атомов и разворотом зерен. Пластичная деформация монокристаллов связана с необратимым смещением атомов так, что части кристалла сдвигаются относительно друг друга (скольжение) или зеркально - симметрично перестраиваются друг относительно друга (двойникование). Наиболее распространен механизм скольжения, которое развивается по плоскостям и направлениям (система скольжения) максимальной упаковки атомов. В ОЦК решетке 48 систем скольжения (максимальная пластичность); ГЦК-12; ГПУ-3 (минимальная пластичность). В идеальном кристалле скольжение возможно при разрыве связей всех пар атомов в плоскости скольжения. Однако в реальном, на это требуется в 1000 раз меньше напряжение, что связано с дефектами структуры. Об участии дислокаций в процессе деформации скольжением говорилось в разд.1.3. Поскольку плотность дислокаций , они обуславливают пластичность металлов. Деформации приводят к увеличению плотности дислокаций до см . При этом наблюдается деформационное упрочнение, т.к. скопления дислокаций препятствуют перемещению друг друга.

Реальные материалы имеют поликристаллическую структуру с различной ориентацией зерен. Границы зерен действуют как препятствия для дислокаций, а различия в ориентации зерен приводят к неоднородной их деформации, поскольку их системы скольжения по-разному ориентированы относительно , образуя текстуру деформаций (рис.2.12). Внутри зерен возникают напряжения II рода, а в кристаллической решетке - напряжения III рода. Множественное скольжение в зернах, увеличение плотности дислокаций и других дефектов приводят к упрочнению материала или наклепу (наиболее характерен для ГЦК металлов). В наклепанном материале запасается до 10% энергии деформации, появляется анизотропия свойств, растет и понижается

его пластичность. По достижении предельной степени наклепа образец разрушается по хрупкому или вязкому механизму.

Рис.2.12. Формирование текстуры деформации при скольжении

Теоретическая прочность материалов на 2-3 порядка выше реальной, что связано с влиянием дефектов строения. Прочность металлов не линейно зависит от плотности дефектов (рис.1.7). Упрочнение на участке III графика связано с заторможенностью дефектов, что достигается: деформационным упрочнением (наклеп); легированием (особенно при образовании твердых растворов внедрения); термической и химикотермической обработкой (модификация поверхностного слоя покрытиями, диффузионным насыщением, закалкой, деформированием и т.п.)