Природа пластической деформации

 

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, и характер их деформации зависит от типа кристаллической структуры и от наличия несовершенств в этой структуре.

Рассмотрим пластическую деформацию в монокристалле.

Пластическая деформация может протекать под действием касательных напряжений и может осуществляться двумя способами.

1. Трансляционное скольжение по плоскостям (рис. 4 а). Одни слои атомов кристалла скользят по другим слоям, причем они перемещаются на дискретную величину, равную целому числу межатомных расстояний.

В промежутках между полосами скольжения деформация не происходит. Твердое тело не изменяет своего кристаллического строения во время пластической деформации и расположение атомов в элементарных ячейках сохраняется.

Плоскостями скольжения является кристаллографические плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов.

Это наиболее характерный вид деформации при обработке давлением.

2. Двойникование – поворот одной части кристалла в положение симметричное другой его части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования (рис. 4 б).

Двойникование чаще возникает при пластической деформации кристаллов с объемно-центрированной и гексагональной решеткой, причем с повышением скорости деформации и понижением температуры склонность к двойникованию возрастает.

Двойникование может возникать не только в результате действия внешних сил, но и в результате отжига пластически деформированного тела.

Рис. 4. Схемы пластической деформации различными способами: а – скольжением; б – двойникованием

Это характерно для металлов с гранецентрированной кубической решеткой (медь, латунь). Двойникованием можно достичь незначительной степени деформации.

а)	б)

В действительности реальный кристалл в отличие от идеального имеет структурные несовершенства: точечные, линейные и поверхностные. К линейным несовершенствам относят дислокации. Дислокация представляет собой край «лишней» кристаллографической полуплоскости (экстраплоскости). Для дислокаций характерна их легкая подвижность. Они в процессе пластической деформации перемещаются микроскачками вдоль плоскости скольжения, что существенно облегчает протекание пластической деформации. Для осуществления деформации не нужно преодолевать силы связей всех атомов, лежащих в данной плоскости решетки кристаллита, а требуются усилия намного меньшие, чтобы привести в движение дислокации.

Если в кристалле нет дислокаций, то он обладает высокой прочностью, близкой к теоретической. Это доказано созданием практически бездислокационных кристаллов в виде тонких нитей, называемых усами. Например, нитевидный кристалл железа диаметром 1 мкм имеет высокий предел прочности 13000 МПа (1300 кгс/мм²). Обычное железо имеет предел прочности 300 МПА (30 кгс/мм²).

С увеличением в металле количества дислокаций прочность сначала понижается, а потом начинает возрастать. Это объясняется тем, что при избытке дислокаций они начинают препятствовать перемещению друг друга, что затрудняет пластическую деформацию.

Механизм пластической деформации поликристалла является более сложным. Различают два вида деформации поликристаллов - внутрикристаллитную (протекающую внутри зерна), и межкристаллитную, протекающую по границам зерен.

 

Рис.5. Схема развития пластической деформации поликристаллического тела

Вначале пластическая деформация начинается в отдельных зернах, плоскости скольжения которых совпадают с направлением максимальных касательных напряжений (рис. 5, а). Одновременно происходит поворот и скольжение новых зерен в положение, благоприятное для деформирования (рис. 5, б), и пластическая деформация охватывает все новые и новые зерна. И, наконец, пластическая деформация охватывает весь объем металла, и зерна вытягиваются в направлении интенсивного течения металла (рис. 5, в). Зерна приобретают одинаковую кристаллографическую ориентировку – текстуру. Такой металл имеет ярко выраженную анизотропию свойств.

В процессе обработки металлов давлением оба вида деформации протекают одновременно. Какой из видов деформации является преобладающим, определяется соотношением прочности зерен и их границ.

В холодном состоянии прочность границ зерен, как правило, больше прочности зерен и деформация идет, в основном, за счет внутрикристаллической деформации.

При высоких температурах прочность границ меньше прочности зерен из-за наличия по границам зерен легкоплавких примесей, вследствие чего при горячей обработке давлением преобладает межкристаллитная деформация.