Особенности холодной и горячей пластической деформации с точки зрения её ТМО

Пластическая  деформация состоит в следующем. При приложении внешней силы к металлическому телу между отдельными кристаллитами (зернами) тела, а также по их кристаллографическим плоскостям возникают сдвигающие или касательные напряжения. При достижении касательными напряжениями некоторой критической величины, зависящей от природы тела, они могут преодолеть сопротивление металлической связи данного тела и вызвать либо внутренние необратимые перемещения в зернах по кристаллографическим плоскостям, либо перемещения зерен друг относительно друга. При этом пластическая деформация происходит главным образом за счёт внутризёренных перемещений, а перемещения по границам зёрен происходят лишь постольку, поскольку зёрна, меняя форму (когда перемещаются их части), изменяют своё расположение друг относительно друга. Установлено, что при преобладании межзёренных смещений пластичность резко снижается и может наступить хрупкое разрушение металла.

Смещения в  кристаллической решетке зерна  осуществляются по определенным плоскостям и направлениям. В зависимости от особенностей этих смещений различают смещения скольжением и двойникованием. Плоскости и направления смещений соответственно принято называть плоскостями и направлениями скольжения и двойникования.

В отдельных зернах следы смещений образуют систему  параллельных или пересекающихся под определенным углом линий. Рентгеноструктурным анализом установлено, что скольжения в кристаллической решётке происходят по плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью расположения атомов. Важной характеристикой этих плоскостей и направлений является то, что в них скольжение вызывается минимальным касательным напряжением τ_кр. По другим плоскостям и направлениям, по которым атомы менее плотно упакованы, для осуществления скольжения надо иметь большую величину касательных напряжений. Нормальное напряжение в процессе скольжения не участвует.

Деформация  скольжения происходит тогда, когда в результате действия внешней силы Р на зерно по плоскостям скольжения, ориентированным к направлению силы под углами, отличными от 0 до 90°, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна друг относительно друга. Сдвиги скольжением происходят по тем кристаллографическим плоскостям, в которых касательные напряжения достигают критической величины. Обычно эти плоскости расположены под углом, близким к 45° к направлению действия силы. Одновременно со сдвигом части зерен поворачиваются в направлении растяжения.

При деформации двойникованием перемещение частей зерен друг относительно друга под действием касательных напряжений сопровождается изменением ориентировки кристаллической решетки. Смещенная часть становится как бы зеркальным отражением неподвижной части кристалла. Двойникование наблюдается реже, чем скольжение, в частности, оно происходит в случае деформации при повышенных температурах, ударном действии нагрузок и при деформации металлов, имеющих гексагональную решётку. Пластическая деформация металлов осуществляется в основном за счёт скольжения. Двойникование в ряде случаев сопутствует деформации скольжением.

   Видимые, линии скольжения  при пластической деформации  металла представляют собой полосы  скольжения. Они отстоят одна  от другой на расстоянии примерно 1 мкм, а расстояния между соседними атомными плоскостями выражаются величиной порядка 10^-4 мкм. Следовательно, в скольжении принимают участие блоки и пачки атомных плоскостей.

      Полосы скольжения  при пластической деформации  нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой одновременный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни и тысячи раз превышающих напряжения, при которых протекает реальный процесс деформации. Полосы скольжения наблюдаемые на микроструктуре чистого  железа  представляют собой результат последовательного перемещения атомов в определённой плоскости.

     Процесс скольжения  представляет собой перемещение  дислокаций в кристалле. При  сдвиге происходит нарушение  металлических связей в каждый данный момент времени только у тех атомов вдоль плоскости скольжения, где имеются различные несовершенства кристаллической решетки (нарушения правильности ее строения).[4]

      Несовершенства кристаллической  решетки связаны с рядом причин. В реальном кристалле все его  частицы (электроны, атомы и  ионы) находятся в движении: движутся оторванные от атомов коллективизированные электроны, обеспечивающие металлическую связь; в колебательном движении около своих средних положений устойчивого равновесия находятся атомы и ионы; время от времени отдельные атомы или ионы отрываются от средних положений и перемещаются по кристаллу, застревая где-либо в кристалле и вызывая этим нарушение правильности построения кристаллической решетки, или покидают кристалл (испаряются), оставляя свое место вакантным. Вышедший из равновесного положения атом называют промежуточным, или дислоцированным, а место, оставшееся пустым в узле кристаллической решетки - вакантным, или «вакансией». Процесс движения атомов, ионов и электронов продолжается непрерывно, а вместе с ними движется и вакантный узел. Одни вакантные узлы, выходя на наружную поверхность или на поверхность какого-либо внутреннего дефекта, исчезают, другие вновь создаются. В результате в каждый данный момент времени в кристалле имеется какое-то количество вакантных мест, или застрявших атомов, вокруг которых возникают несовершенства кристаллической решётки .

Другой причиной несовершенства кристаллической решетки  является присутствие в металлах примесей. При затвердевании металла  из жидкой фазы в кристаллы попадают атомы примесей, которые могут  образовывать твердые растворы внедрения  или твердые растворы замещения. Атомы примесей (или атомы растворенного  компонента) по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного металла и вследствие этого вызывают искажения кристаллической решетки.

Кроме того, у  границ зерен при кристаллизации и перекристаллизации наблюдается, неправильность внешней формы зёрен металла, а также различие в направлениях отдельных кристаллографических плоскостей в смежных зернах. Это приводит к тому, что пограничный слой на стыке между зернами имеет нарушения правильности взаимного расположения атомов. Особенностью строения этого пограничного слоя является также и то, что он обычно насыщен примесями и неметаллическими включениями. Это обусловливает появление внутренних и внешних поверхностей раздела между отдельными зернами, что вызывает искажение кристаллической решетки. Количество нарушений правильного строения кристаллической решетки в реальных кристаллах очень велико. Подсчитано, например, что в 1 мм³ алюминия при 300 °С имеется примерно 6-10¹³ вакантных мест и 2-10¹⁷ атомов примесей кремния в решетке алюминия (при содержании в алюминии 0,3% Si); в указанном объеме существуют внутренние поверхности раздела по границам 10¹² блоков и внешние поверхности раздела по границам 10¹³ зерен (линейные размеры зёрен приняты равными 100 мкм).[4]

Рассмотренные и  другие виды нарушений строения реального  металла создают области искажений кристаллической решетки, которые приводят к неравномерности протекания в металлах различных процессов, например, деформации.

При приложении деформирующей  силы к поликристаллическому телу с  несовершенным строением кристаллической решетки в теле возникает одна или несколько плоскостей скольжения, вдоль которых перемещается дефект в атомном слое путем передвижения друг за другом атомных рядов. В результате сдвигается верхний слой, а с ним и верхняя часть кристалла относительно другого, нижнего слоя на один атомный размер. При продолжении действия деформирующей силы обеспечивается перемещение следующего дефекта; при этом, как и ранее, передвигается часть кристалла еще дальше на один атомный размер и т. д.

Итак, пластическая внутризеренная деформация осуществляется благодаря действию касательных напряжений по определенным плоскостям скольжения за счет последовательного смещения дислокации и атомов на расстояния, значительно превышающие межатомные.

При нагружении поликристаллического тела внешней силой пластическая деформация сначала начинается в отдельных зернах с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения относительно направления действия силы, т. е. такой ориентировкой, при которой плоскости скольжения совпадают с площадками действия максимальных касательных напряжений, вызываемых внешней силой. По этим плоскостям скольжения происходит так называемое легкое скольжение. Соседние зерна с менее благоприятной ориентировкой деформируются только упруго и могут получить относительное смещение или поворот вследствие значительной внутризеренной деформации благоприятно ориентированных зерен.

По мере увеличения деформирующей  силы менее благоприятно ориентированные зерна поворачиваются в направлении действия внешней силы. После стадии единичного (легкого)  скольжения начинается стадия множественного скольжения, т. е. движение дислокации в двух и более системах плоскостей скольжения. Касательные напряжения, действующие в менее благоприятных плоскостях скольжения, достигают величины, необходимой для начала пластической деформации этих зерен. Смещения и повороты одних зерен относительно других приводят к межкристаллитной деформации. Продолжение действия внешней силы обеспечивает развитие пластической деформации обрабатываемого тела.[4]

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов при холодном деформировании.

      При пластической  деформации металлов и сплавов  структура их значительно изменяется. Последнее приводит к изменению физико-механических и химических свойств деформированного металла. Если исходный литой металл имеет зерна различной формы и ориентировки, то при степени деформации 9% наблюдается начало ориентировки, отдельных зерен в направлении действия внешней силы; при повышении степени деформации до 27,% зерна еще больше вытягиваются в направлении деформирования, образуя при более высоких степенях деформации волокнистую структуру.

       Одновременно  с изменением формы зерна в  процессе деформирования происходит поворот кристаллографических осей отдельных зерен в пространстве. По мере протекания пластической деформации разница в направлении этих осей отдельных зерен уменьшается, а плоскости скольжения стремятся расположиться по направлению наиболее интенсивного течения металла. Это приводит к тому, что при значительных степенях деформации металла в холодном состоянии возникает преимущественная ориентировка кристаллографических осей зёрен поликристалла, называемая текстурой. Образование текстуры сопровождается появлением анизотропии механических и физических свойств металла.

С увеличением степени холодной деформации, осуществляемой при температуре ниже температуры рекристаллизации,(ниже 0,2Т_пл), монотонно увеличиваются прочностные показатели металла и уменьшаются показатели пластичности, а также увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость и т. д. Совокупность явлений, связанных с изменением механических и физико-химических свойств металла при холодном пластическом деформировании, называется наклёпом ( упрчнением).

Изменение механических свойств при  холодном пластическом деформировании связано с увеличением сопротивления смещению дислокации по мере развития деформирования вследствие пересечения  и искривления плоскостей скольжения, застревания дислокаций, появления обломков зёрен в пачках скольжения и блокировки ими плоскостей скольжения и т.д.

Кроме того, по плоскостям скольжения, очевидно, значительно увеличивается температура металла, что приводит к выделению на них субмикроскопических частиц карбидов, которые блокируют сдвиги и способствуют упрочнению металла. Все эти факторы способствуют повышению прочности и снижению пластичности металла и приводят, к изменению его физико-механических свойств.

Вместе с тем исследованиями установлено, что при холодном пластическом деформировании металлов и их сплавов при определенных степенях деформации, разных для различных металлов, существуют критические степени деформации, при которых наблюдаются нарушения монотонности изменения пластичности и других свойств с увеличением суммарной степени деформации благодаря протеканию так называемого явления атермического разупрочнения. Явление атермического разупрочнения имеет дислокационный характер, при котором происходит   радикальная перестройка дислокационной структуры, при этом изменяется как средний размер дислокационных ячеек, так и величина вытянутых дислокационных образований.

Указанное явление прежде всего  проявляется в направлении действия максимальных касательных напряжений. Благодаря перестройке дислокационной структуры существенно увеличивается длина свободного пробега дислокации. Явление атермического разупрочнения используют при пластическом деформированни для стабилизации свойств готовой продукции.[5]

Возврат и рекристаллизация. Горячая деформация.

При холодной деформации металла образуется текстура и происходит его упрочнение, в результате чего металл находится  в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. Наклёпанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшей энергией. Восстановительные процессы (или разупрочнение) сводятся в основном к снятию искажений и остаточных напряжений в кристаллитах. Так как эти процессы при комнатной температуре для большинства металлов протекают медленно и совершаются путем перемещений атомов, решающее влияние на эти процессы оказывает температура.   

У большинства металлов и сплавов  при комнатной температуре подвижность атомов недостаточна, чтобы обеспечить  удовлетворительное развитие процессов разупрочнения. Чтобы наклепанный металл после холодной обработки давлением перешел в более равновесное состояние, его нагревают до определенной температуры.  

В зависимости от температуры в  деформированном металле протекают  различные процессы разупрочнения: возврат и рекристаллизация. При температурах ниже 0,20 Т_пл (где Т_пл— абсолютная температура плавления металла, К) при пластической деформации протекают преимущественно процессы упрочнения, а при температурах (0,20.. .0,30)Т_пл одновременно протекают как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы.