ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗА СЧЕТ УДАЛЕНИЯ ЧАСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Деформация и разрушение металлов

Все металлы и сплавы в твердом состоянии являются веществами кристаллическими, т.е. атомы их расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке. Расположение атомов в кристалле принято характеризовать пространственной решеткой. Стремление атомов металла занять места наиболее близкие друг к другу приводит к образованию следующих, наиболее распространенных типов решеток трех типов: объемно-центрированный куб (ОЦК); гранецентрированный куб (ГЦК) и гексагональная плотноупако-ванная решетка (ГПУ). Атомы железа образуют два типа решетки: ОЦК — куб, в вершинах которого и в центре располагаются атомы металла; ГЦК — куб, в котором атомы располагаются по вершинам и в серединах плоскостей — граней.

Деформация — изменение размеров и формы тела под действием приложенных к нему сил. Деформацию вызывают как внешние силы, приложенные к телу, так и физико-химические процессы, происходящие в самом теле. На появление того или иного вида деформаций влияют действующие внутри тела напряжения. Для оценки величины нагрузки, не зависящей от размеров тела, введено понятие напряжения — значения внутренних сил, отнесенное к единице площади сечения, на которое эти силы действуют. Обычно сила, приложенная к выбранной площадке тела, не перпендикулярна к ней. Поэтому в теле возникают нормальные (а) и касательные (т) напряжения. При растяжении, сжатии или другой более сложной деформации монокристаллы разделяются по кристаллографическим плоскостям. Наиболее вероятное направление деформации совпадает с кристаллографической плоскостью, содержащей наибольшее количество атомов (рис. 3.1, а).

Приближенно угол наклона этой плоскости можно найти исходя из следующих соображений (рис. 3.1,6). Рассечем куб произвольной

Плоскости сдвига в кристаллической решетке объемно-центрированного куба

Рис. 3.1. Плоскости сдвига в кристаллической решетке объемно-центрированного куба:

а — расположение плоскостей сдвига: б — схема сил, характеризующая направление сдвига при пластической деформации; С — плоскость сдвига; 0 — сила сжатия; ТУ, Т — нормальная и касательная составляющие силы сжатия;

а — угол наклона плоскости сдвига

плоскостью под углом а к его оси. Разложим силу сжатия (растяжения) куба на нормальную N и касательную Т к проведенной плоскости. N = Qsina; Т = Qcosa. Если площадь сечения куба равна F, то площадь сечения куба произвольной плоскостью равна //sin a. Касательное напряжение при этом составит:

Т

т = —--

/7 sin a

Psinacosa _ ^ ^sin2a F " ’ F

- Csin2a.

Для нахождения угла, отвечающего наибольшей величине т, приравняем вторую производную к нулю. Получим: со$2а = 0, а = 45°.

По результатам воздействия различают упругую и пластическую деформацию.

Представим себе ровное поле (кристаллическое тело). На этом поле (рис. 3.2) имеются равномерно распределенные ямки (узлы кристаллической решетки). В ямке лежит мячик (атом). Мячик может совершать колебания в ямке с небольшой амплитудой все время, возвращаясь в начальное положение / (тепловые колебания атома). Если перенести мячик в положение 2, то он возвратится в начальное положение /. Применительно к кристаллическому телу: при небольших смещениях атома после снятия нагрузки решетка вернется в первоначальное состояние. Такая деформация называется упругой.

Иллюстрация к понятиям упругая (У) и пластическая (П) деформация

Рис. 3.2. Иллюстрация к понятиям упругая (У) и пластическая (П) деформация:

1—4 — положения мячика; 5, 6 — траектории перемещения; 7— препятствие

Если мячик перенести на достаточно большое расстояние (положение 4), то он скатится на дно ближайшей ямки (положение 3).

Применительно к кристаллическому телу: при больших деформациях возможен необратимый сдвиг одной части кристалла относительно другой (необратимая или пластическая деформация). Поставим на пути мячика препятствие 7. В этом случае для переноса мячика в положение 4 (траектория 6) необходима дополнительная энергия. Применительно к кристаллическому телу: наличие препятствий для деформации (границы зерен, несовершенства структуры...) увеличивают энергию, потребную для этой деформации, следовательно, прочность тела возросла.

Пластическая деформация поликристаллов протекает аналогично деформации монокристалла. Но на развитие пластической деформации влияют различная ориентация зерен в пространстве и наличие границ между зернами. Пластическая деформация не может начаться одновременно во всех зернах. В первую очередь сдвиг начнется в наиболее благоприятно ориентированных зернах (под углом 30—70° к направлению действующей силы). По мере увеличения деформации изменяется ориентация плоскостей всех зерен. При большой пластической деформации возникает преимущественная ориентация плоскостей и направлений в зернах (текстура). Появление текстуры приводит к анизотропии свойств поликристалла (его свойства изменяются в зависимости от направления испытаний). При невысоких температурах (0,15—0,2 7'плавления — «холодная деформация»1) с повышением степени деформирования поликристалла повышаются свойства, характеризующие сопротивление деформации (предел проч-

' ^плавления в градусах Кельвина.

ности, твердость), но уменьшается пластичность. Это явление получило название наклепа. Явление наклепа объясняется увеличением числа дефектов кристаллической решетки, а следовательно, повышением сопротивления пластической деформации.

Разрушение — процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящих к разделению его на части. Разрушение происходит в результате появления одной или нескольких трещин, их развития и слияния. Механизм зарождения трещины одинаков как для хрупкого, так и для вязкого разрушения. Зарождение трещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствиями (граница зерен, граница фаз, посторонние включения и т.д.).

Проведем сдвиг одной части кристалла на одно межатомное расстояние (рис. 3.3, а). Как видно из рисунка, влево сдвинулась часть кристалла.

а

Схема разрушения металла

Рис. 3.3. Схема разрушения металла:

а — сдвиг реального кристалла; б — появление зародышевой трещины;

М—М — плоскость скольжения; а—в — экстраплоскость

В верхних рядах кристалла оказалось на один атом больше, чем в нижних. Появилась лишняя плоскость «а—Ь» (экстраплоскость) в верхней части кристалла. В месте скопления дислокации могут сойти в такое тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются (рис. 3.3, б) и под ними образуется зародышевая трещина (заштрихованный участок).

При хрупком разрушении эта трещина нестабильна и растет самопроизвольно. При определенной длине зародышевой трещины напряжения по краям трещины окажутся достаточными для нарушения межатомных связей. При хрупком разрушении трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия.

При вязком разрушении зона пластической деформации значительно больше, что требует большей энергии. Скорость распространения трещины при хрупком разрушении значительно выше, чем при вязком. Поэтому хрупкое разрушение часто называют катастрофическим. Многие металлы, в зависимости от температуры, могут разрушаться как вязко, так и хрупко.

Переход от вязкого разрушения к хрупкому при понижении температуры называют хладноломкостью. Понижение температуры мало влияет на сопротивление отрыву (разрушающее напряжение), но понижает сопротивление пластической деформации. Скорость деформирования и наличие концентраторов напряжений, размеры изделия также влияют на вид разрушения. Чем выше скорость деформации, чем глубже и острее надрез на поверхности изделия (трещина, царапина), чем больше габариты изделия (масштабный фактор), тем больше склонность металла к хрупкому разрушению.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >