Пластическая деформация, стадии деформации. Дислокационные структуры деформированных тел

Лекция №12

Влияние электромагнитного поля на структуру и свойства металлических материалов

Сверхпластичность

Под сверхпластичностью понимают способность металла к значительной равномерной деформации без деформационного упрочнения (наклепа).

Различают несколько видов сверхпластичности:

- мелкозеренная сверхпластичность проявляется при повышенных температурах, не ниже чем 0,4 Т_пл, при очень мелком зерне размером в диаметре 3-5 мкм и малой скорости деформирования 0,0001 с^-1 (отсутствует сдвиговая деформация),

- субкритическая сверхпластичность. Имеет место при температурах вблизи или ниже фазовых превращений при определенной исходной структуре. Перед фазовым превращением или плавлением происходит значительное изменение свойств без изменения структуры. Например, Е снижается в два-три раза.

- мартенситная сверхпластичность, при сдвиговом бездиффузионном превращении наблюдается повышенная пластичность,

- рекристаллизационная сверхпластичность. Выше температуры рекристаллизации заметного упрочнения не возникает.

Влияние электромагнитного поля на структуру и свойства металлов в наибольшей степени проявляется в условиях протекания тока высокой плотности (до 100000000 А/м²) через очаг деформации. В данном случае возникает эффект электропластичности металлов, проявляющийся в значительном приращении деформации даже при комнатных температурах.

Протекание тока высокой плотности в металле вызывает увеличение плотности вакансий, длину пробега дислокаций, внутренний нагрев дефектных микрообъемов металла и повышение градиентов химических потенциалов.

Эффект электропластичности применяется в технологии волочения при изготовлении сверхтонких проволок и металлических волокон.

При электропластической обработке растут как прочностные, так и пластические характеристики.

Тема: ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, СТАДИИ ДЕФОРМАЦИИ. ДИСЛОКАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ТЕЛ. ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЗМА ДЕФОРМАЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И НАПРЯЖЕНИЯ, КАРТЫ ДЕФОРМАЦИИ (ПО ЭШБИ). ПОЛЗУЧЕСТЬ. ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ: ОТДЫХ, ПОЛИГОНИЗАЦИЯ, РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. ВТМО, НТМО. СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

Под действием внешних сил металл изменяет свою форму. Это изменение состоит из двух частей: упругой или обратимой, исчезающей после снятия нагрузки, и необратимой, пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругой деформации расстояние между атомами изменяется: увеличивается или уменьшается. После снятия нагрузки атомы возвращаются на прежние места. При пластической деформации части кристалла перемещаются друг относительно друга необратимо, путем сдвигов или скольжений и двойникования. Скольжение или сдвиги - параллельное смещение тонких слоев металла и одновременно поворот их.

Двойникование - смещение атомов, расположенных в плоскостях, параллельных плоскости двойникования, на расстояние пропорциональное расстоянию этих плоскостей от плоскости двойникования. Рис. 51.

Рис. 51. Схемы сдвига и двойникования.

Рис. 52. Изменение механических свойств меди и алюминия в зависимости от степени пластической деформации.

Холодная пластическая деформация упрочняет металл. Это явление называют наклепом или нагартовкой. При этом изменяется структура и свойства. Зерна деформируются и смещаются друг относительно друга. Объем зерен разбивается поверхностями скольжений и двойникования на отдельные части. На полированной поверхности металла и на микрошлифах видны часто линии сдвигов. Зерно таким образом измельчается. Появляется текстура: ориентировка зерен по направлению действующей силы, искажение и напряжение кристаллических решеток. Рис. 52. Упрочнение металлов в результате деформации зависит от типа кристаллической структуры. Для металлов с кубической решеткой рост упрочнения в первом приближении носит параболический характер, для металлов с гексагональной решеткой упрочнение растет по линейному закону. Дислокационное упрочнение кристаллов разделяют на три стадии. Рис. 53.

Рис. 53. Кривые упрочнения кристаллов (стадии 1-3) с ГЦК решеткой при температуре t₁ (1) и t₂ (2) при t₂ > t₁.

- первая характеризуется почти линейной зависимостью напряжений от величины деформации при малой степени деформационного упрочнения из-за малой плотности накапливаемых дислокаций.

- вторая стадия упрочнения характеризуется множественным скольжением дислокаций, их пересечением с образованием препятствий для дальнейшего движения (образуется ячеистая субструктура).

- третью стадию характеризует уменьшение деформационного упрочнения. Рост величины деформации связан с поперечным скольжением и с увеличением сдвига по каждой системе скольжения. Происходит так называемый динамический возврат.

Изменение механизма деформации в зависимости от температуры и напряжения, карты деформации (по Эшби).

Ползучесть. Зависимость прочности и пластичности от температуры. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированных металлических тел: отдых, полигонизация, рекристаллизация.

Рис. 54. Дислокационная структура (а) - после деформации и (б) - после нагрева, отвечающая полигонизационному типу.

Если деформация происходит при температуре так называемой теплой деформации (0,3-0,6) Тпл, тогда одновременно с развитием скольжения и или двойникования происходит перераспределение дислокаций вследствие развития диффузионных процессов (самодиффузия), приводящих к явлению переползания краевых компонент дислокаций. Рис. 54. При теплой деформации создается более стабильная структура, хотя эффект упрочнения ниже. Структурные изменения, происходящие при горячей деформации металлов, отвечающие температуре > 0,6 Тпл, проявляются в характере кривых напряжение - деформация. Рис. 55.

Рис. 55. Основные виды кривых напряжение - деформация при высоких температурах, а - с “горбом”, б - с плато.

На начальной стадии деформации наблюдается заметное упрочнение в результате развития процессов легкого и множественного скольжения, ведущих к росту плотности дислокаций, распределение которых отличается неоднородностью (горячий наклеп). При увеличении степени деформации это упрочнение растет до некоторого значения, а затем либо остается постоянным, либо заметно падает, но затем вновь стабилизируется.

С увеличением температуры характеристики прочности металлических материалов падают, а пластичности увеличиваются.

Если нагрев происходит после деформации, то при нагреве уже при низких температурах будет происходить возврат или отдых - снятие внутренних напряжений. При дальнейшем повышении температуры атомы, обладающие максимальным запасом энергии, будут двигаться настолько интенсивно, что появится возможность зарождения и роста новых кристаллов, термодинамически более устойчивых. Этот процесс носит название рекристаллизации.

Металл	Т рек, С	Трек/Тпл
Cu		0,35
Fe		0,35
Ni	250-350	0,33
Al		0,40
Mn		0,45

При рекристаллизации старое зерно не восстанавливается, а заменяется совершенно новым. Абсолютная температура начала всех явлений, связанных с тепловым перемещением атомов в кристаллической решетке, составляет для всех металлов одну определенную долю абсолютной температуры плавления. Для практики необходимо знать, с какой температуры начинается рекристаллизация при выдержке 0,1-1 ч. При этом условии оказывается, что для чистых металлов.

Трек = 0,4 Тпл.

Самые ранние же проявления рекристаллизации, обнаруженные рентгеновским методом, происходят при Трек = 0,25 Тплавл. В сплавах отношение Трек/Тпл больше, чем для чистых металлов и не обладают таким постоянством. Температура начала рекристаллизации зависит от степени деформации.