1.4. Деформация и разрушение металлов

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних воздействий.

Механическое напряжение – мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле и действующих на единицу площади поперечного сечения под влиянием внешних воздействий. Единица напряжения в системе СИ – паскаль (Па): 1 Па=1 Н/м², 1 кгс/мм² =10 МПа.

Напряжения и вызываемые ими деформации возникают при действии на тело внешних сил в результате фазовых и структурных превращений, связанных с изменением объема.

П ри упругой деформации (рис. 1.16,а) происходят небольшие смещения атомов из положения равновесия. Баланс кулоновских сил притяжения и отталкивания, которыми были связаны атомы, нарушается. При снятии нагрузки смещенные атомы под действием кулоновских сил возвращаются в исходное положение, деформация исчезает. С ростом нагрузки начинается пластическая деформация, которая остается после снятия нагрузки. Пластическая деформация в кристаллах осуществляется скольжением и двойникованием (рис. 1.16,б,в). Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием напряжений больше критической величины. При двойниковании сдвиг происходит в ограниченном объеме на определенную величину, одна часть кристалла становится в положение, симметричное относительно другой.

С кольжение осуществляется в результате перемещения дислокаций по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов (рис. 1.17) и зависит от кристаллической структуры металла, скорости приложения нагрузки, температуры. При приложении касательного напряжения () краевая дислокация перемещается вследствие разрыва старых межатомных связей и установления новых (рис. 1.17,б,в). Затем разрываются новые межатомные связи и т. д. Дислокация выходит на край кристалла (рис. 1.17,д). За счет элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг на величину межатомного расстояния. Дислокации не обрываются внутри кристалла, а прерываются на других дислокациях или на границах зерен.

Направления скольжения совпадают с направлениями наиболее плотного расположения атомов. Плоскости и направления скольжения в этой плоскости (рис. 1.18) образуют систему скольжения. Число систем скольжения в металлах с различным типом решетки неодинаково.

В металлах с ГЦК решеткой (Fe_, Сu, Al, Ni, Ag) четыре плоскости скольжения (111) с тремя направлениями скольжения вдоль диагоналей граней [110] в каждой плоскости образуют 12 систем скольжения.

В металлах с ОЦК решеткой (Fe_, W) плоскости скольжения (110), (112), (123) и направления скольжения вдоль пространственных диагоналей [111] образуют 48 систем скольжения. При пластической деформации металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

В металлах с ГПУ решеткой при c/a  1,63 (Mg, Zn) скольжение происходит по плоскости базиса (рис. 1.18,в) и трем направлениям скольжения. Эти металлы менее пластичны и труднее, чем металлы с кубической решеткой, поддаются прокатке, штамповке.

В металлах с ГПУ решеткой при c/a  1,63 (Zr, Ti) скольжение происходит по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям. Эти металлы более пластичные, чем магний и цинк.

Источник Франка-Рида. Дислокация расположена в плоскости скольжения (плоскости рисунка) и закреплена в точках А и А₁ другими дислокациями или примесными атомами (рис. 1.19). Под действием сдвигающего напряжения  дислокация выгибается и принимает форму полусферы. Далее распространение дислокации происходит самопроизвольно путем образования двух спиралей. В точке С спирали встречаются. Это приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и новой дислокации, занимающей исходную позицию А и А₁. Внешняя петля разрастается до поверхности кристалла (зерна), что приводит к элементарному сдвигу, новая дислокация начинает снова выгибаться. Из одного источника образуются сотни дислокаций.

П ри деформировании монокристалла дислокации перемещаются беспрепятственно на большие расстояния, если плоскость скольжения параллельна направлению напряжения. Монокристалл не упрочняется, пластическая деформация велика. Эта стадия легкого скольжения в кристаллах с ГПУ решеткой достигает 1000 %, с ГЦК и ОЦК – 10-15 %. С ростом деформации возникает множественное скольжение – дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях. Плотность дислокаций растет до 10² -10⁴ см^-2, сопротивление деформации увеличивается.

При деформировании поликристалла стадия легкого скольжения отсутствует. Достигнув границы зерна, дислокации останавливаются. Напряжения при скоплении дислокаций упруго распространяются через границу и приводят в действие источник Франка-Рида в соседнем зерне. Плоскости и направления скольжения в каждом зерне различны. Зерна деформируются неодинаково, так как ориентированы произвольно по отношению к приложенной нагрузке (рис. 1.20).

С ростом нагрузки деформация зерен сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Зерна вытягиваются в направлении пластического течения. Концентрация дефектов (дислокаций, вакансий, междоузельных атомов) внутри зерен возрастает. Эти дефекты затрудняют движение дислокаций: сопротивление деформации растет, пластичность – уменьшается. Явление упрочнения металла при пластической деформации называют наклепом. При степенях деформации более 40 % появляется кристаллографическая ориентация зерен – текстура деформации (рис. 1.20,г). Внутри зерен дислокации сначала распределены равномерно. С ростом деформации появляется ячеистая структура. Ячейки с размером 0,2-3 мкм свободны от дислокаций; границы ячеек – сложно переплетенные стенки дислокаций.

Деформирование двухфазного сплава. Каждая фаза имеет свои плоскости скольжения и критические напряжения сдвига. Процесс деформирования зависит от количества и структуры второй фазы, характера ее распределения. Если хрупкая вторая фаза располагается в виде сетки по границам зерен пластичной матрицы, то сплав будет хрупким. Если хрупкая фаза присутствует в виде отдельных зерен, то сплав сохранит пластичность.

К огда дислокация наталкивается на когерентные частицы второй фазы, то она либо их перерезает, либо огибает (рис. 1.21,а), в зависимости от их размеров, прочности и расстояния между ними. Когда дислокация наталкивается на некогерентные частицы, то она их только огибает. На рис. 1.21,б показано сначала выгибание, а при больших напряжениях – огибание частиц дислокациями. Оставив вокруг частицы петлю, дислокация скользит в прежнем направлении. При возрастании напряжений число петель вокруг каждой частицы увеличивается, расстояние между ними уменьшается. Напряжение для движения дислокации между частицами возрастает, прочность металла увеличивается.

Р азрушение металлов. Процесс деформации при достаточно высоких напряжениях заканчивается зарождением трещины и ее распространением через все сечение образца – разрушением. Если металл претерпевает перед разрушением упругую и значительную пластическую деформацию (более 30 %), то говорят о вязком разрушении. При отсутствии или незначительном развитии пластической деформации происходит хрупкое разрушение. Для хрупкого разрушения характерна острая, ветвящаяся трещина, для вязкого наоборот – тупая, раскрывающаяся трещина. Абсолютно вязкое разрушение характерно для такого материала, как сырая глина; абсолютно хрупкое разрушение свойственно алмазу. Большинству технических материалов присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, разделение проводится условно по преобладанию того или иного вида. Механизм зарождения трещины при хрупком и вязком разрушении одинаков. Возникновение зародыша трещины происходит при скоплении дислокаций перед препятствием (границы зерен, межфазовые границы, включения), что приводит к возникновению концентратора напряжений, достаточных для образования микротрещины (рис. 1.22).

В лияние нагрева на структуру деформированного металла. До пластической деформации металл находится в равновесном состоянии 1 (рис. 1.23) с минимальным запасом свободной энергии. Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту – металл нагревается. Система переходит в неравновесное состояние 2. Часть энергии (5-10 %), затрачиваемой при деформации на образование большого числа дефектов кристаллического строения, накапливается в металле. Плотность дислокаций в зависимости от степени деформации увеличивается от 10⁶-10⁸ до 10¹⁰-10¹² см^-2. Система переходит в метастабильное состояние 3, устойчивое при комнатной температуре. При нагреве преодолеваются барьеры Е для диффузии точечных дефектов и движения дислокаций. Система возвращается в равновесное состояние 1.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и рекристаллизацию, которые сопровождаются уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при низких температурах, рекристаллизация – при более высоких.

Возврат. Форма зерен при возврате не изменяется. При низких температурах нагрева протекает первая стадия возврата – отдых. Уменьшается концентрация собственных точечных дефектов (сток к границам и взаимоуничтожение). Дислокации одинаковых знаков отталкиваются друг от друга, противоположных – притягиваются и аннигилируют (рис. 1.24), т. е. восстанавливаются атомные плоскости. Остаются хаотично расположенные дислокации преимущественно одного знака. Отдых металла снимает внутренние напряжения, уменьшает на 10-15 % твердость и прочность.

П ри более высоких температурах нагрева протекает вторая стадия возврата – полигонизация. В зернах образуются новые малоугловые границы в результате скольжения и переползания дислокаций. Зерно делится на субзерна – полигоны, свободные от дислокаций. Дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки (рис. 1.25). Полигонизация наблюдается не у всех металлов: редко развивается в меди и ее сплавах, хорошо выражена в сплавах алюминия и железа. При деформировании сплавов сложного состава полигонизация приводит к возникновению стабильной ячеистой структуры. Дислокации скапливаются на границах ячеек и вступают во взаимодействие с атомами и дисперсными частицами второй фазы. Ячеистая структура сохраняется при значительном нагреве. Сплавы не рекристаллизуются. При нагреве деформированных металлов процесс отдыха происходит всегда, полигонизация – при определенных условиях.

П ервичная рекристаллизация – образование зародышей новых зерен и последующий рост. Зародыши возникают на участках с повышенной плотностью дислокаций, где сосредоточены наибольшие искажения решетки – у границ деформированных зерен, блоков (рис. 1.26). Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает зародышей. Зародыши растут путем диффузии к ним атомов от деформированных участков. Для начала рекристаллизации необходимы следующие условия.

1. Критическая степень деформации металла (например, для алюминия – 2 %, для железа и меди – 5 %). При меньшей степени деформации зарождения новых зерен при нагреве не происходит.

2. Температурный порог рекристаллизации – наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен:

.

Коэффициент  зависит от чистоты металла и степени деформации. Металл после холодной деформации со степенью  = 80 % рекристаллизуется при более низкой температуре, чем после деформирования со степенью  = 20 %. Для металлов технической чистоты  = 0,3-0,4, твердых растворов  = 0,5-0,6. Для алюминия, меди и железа технической чистоты Т_рек равна соответственно: 100, 270 и 450 °С.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп. После ее завершения происходит рост образовавшихся зерен – собирательная рекристаллизация. При высоких температурах зерна самопроизвольно укрупняются за счет слияния и объединения границ. Свободная энергия металла уменьшается вследствие уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше протяженность границ). Заключительный этап – вторичная рекристаллизация, сопровождается неравномерным ростом отдельных зерен по сравнению с другими. Формируются зерна-гиганты и зерна-карлики.