Методичка (МУ - Физические основы пластической деформации), страница 7

Поскольку максимальное значение фактора Шмида m = 0,5 получается при углах  =  = 45⁰, максимальное касательное напряжение возникает в площадках c этими значениями углов и численно равно t_mаx = 0,5s.

До определенного значения внешней силы касательные напряжения не превосходят величины, достаточной для пластической деформации, и металл деформируется упруго, после снятия нагрузки форма и размеры тела полностью восстанавливаются.

Если под действием внешней силы возникает пластическое течение металла, это значит, что величина t достигла своего критического значения t_кр, вызывающего сдвиг атомных плоскостей.

Величина t_кр не зависит от ориентации плоскости и направления скольжения по отношению к приложенному напряжению и является величиной постоянной для данного металла. Приняв за предельное значение t значение

t _кр , т.е. напряжение, вызывающее течение металла (в этом случае s = s_т), имеем: s_т = t_кр / m, т.е. предел текучести монокристалла определяется фактором Шмида.

Возвращаясь к деформации поликристалла (см. рис. 44) становится очевидным, что в первую очередь деформация начнется в зернах А, где плоскости скольжения ориентированы относительно действующей силы под углом 45⁰, т.к. именно в них касательные напряжения будут максимальными и раньше,

ч ем в других зернах, достигнут своего критического значения t_кр.

Р 45⁰

А

плоскости скольжения

Рис.44

В этих плоскостях возникнут дислокации, начнут действовать источники Франка-Рида, в результате чего начнется сдвиговая деформация. По мере возрастания нагрузки касательные напряжения достигнут критического значения и в других зернах, и в них также возникнут дислокации, т. е. в деформацию будет вовлекаться все большее и большее число зерен, пока деформацией не будет охвачен весь объем поликристалла.

Нормальное напряжение _т, соответствующее включению в пластическую деформацию преобладающего большинства зерен металла, является пределом текучести.

Каждая дислокация на своем пути сталкивается со множеством других, двигающихся под разными углами к ее плоскости скольжения, пересекающими ее и затрудняющими ее передвижение. Она как бы продирается через лес других дислокаций, и металлофизики так и говорят «дислокационный лес». Чем дальше в лес, тем он гуще и тем труднее через него пробираться. В конце концов, дальнейший выход дислокаций на свободную поверхность тела прекращается, способность металла к пластической деформации исчерпывается и происходит его разрушение. Так проявляется двойственная роль дислокаций под действием возрастающей внешней нагрузки. Вначале они помогают металлу изменять форму и тем самым сохранять свою целостность в борьбе с внешней силой, но при этом сами затрудняют себе движение и приближают момент разрушения металла.

Межкристаллитная деформация выражается в относительном смещении зерен относительно друг друга. На границе зерен существует переходный слой, в котором нарушена закономерность расположения атомов. Кроме того, при затвердевании расплава по границам зерен скапливаются нерастворимые примеси. Таким образом, пограничные слои отличаются от внутренних слоев зерен физико-механическими свойствами. Атомы в этих слоях не находятся в положениях, соответствующих минимуму потенциальной энергии. Отсюда следует, что их подвижность может быть больше, чем во внутренних слоях зерен, а их относительное перемещение (происходящее не по каким-то определенным плоскостям) может требовать относительно меньших касательных напряжений.

С другой стороны, смещение атомов в пограничных слоях затрудняется наличием нерастворимых примесей и неправильной формой поверхности зерен, приводящей к их зацеплениям и заклиниваниям в процессе деформации. Межкристаллитная деформация может приводить к развитию микро и макротрещин. Однако, если возникающие повреждения границ зерен восстанавливаются (залечиваются) в процессе деформации, что имеет место при повышенных температурах, то межкристаллитная деформация играет значительную роль в общем формоизменении тела. Представление о механизме межкристаллитной деформации основано на существовании зернограничной дислокации (ЗГД), которая может перемещаться вдоль границы смежных зерен, вызывая их относительное смещение.

1. Нанокристаллические материалы

Кристаллы с размерами менее 10 нм ( 1 нм = 10^-9 м) по комплексу свойств существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава [ 2 ]. Это связано с сильным влиянием поверхностного (граничного) слоя. В нанокристаллических материалах доля граничного слоя быстро возрастает при измельчении зерен от 100 до 4-5 нм. Считая, что зерна имеют сферическую форму, и полагая толщину слоя 1 нм (это соответствует 2-3 атомным слоям для большинства металлов), получим следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:

Диаметр зерна, нм 100 50 25 20 10 6 4

Объемная доля

поверхностного слоя, % 6 12 24 30 60 100 150

Таким образом, в нанокристаллических материалах, начиная с диаметра зерен 6 нм, объем граничного слоя становится больше объема кристаллов. Такое положение влечет за собой следующие свойства нанокристаллических материалов.

Нанокристаллические материалы обладают повышенной прочностью: твердость в 2-7 раз, предел текучести в 2-3 раза, а временное сопротивление в 1,5-8 раз выше, чем у соответствующих аналогов. Нанокристаллические материалы имеют высокие демпфирующие свойства, т. к. из-за различия модулей упругости самих зерен и граничных слоев упругие колебания распространяются неоднородно и существенно рассеиваются. При 20-25 ⁰С в нанокристаллических материалах с заметной скоростью развиваются процессы рекристаллизации ( о рекристаллизации см. раздел 7.1).

Теплоемкость нанокристаллических сплавов при низких температурах в 1,2-2 раза выше, чем у соответствующих аналогов из-за высокой теплоемкости граничного слоя. Нанокристаллические сплавы сильно расширяются при нагреве из-за более интенсивного (в 2-2,5 раза) расширения граничного слоя по сравнению с зернами. У нанакристаллической меди при размерах зерен 8 нм коэффициент теплового расширения вдвое превышает его значение у поликристаллической меди.

Удельное электросопротивление у нанокристаллических материалов выше, чем у соответствующих аналогов, т. к. электроны проводимости сильнее рассеиваются на границах зерен. Так, например, у нанокристаллических меди, никеля и железа с размерами зерен 100-200 нм удельное электросопротивление при 20 ⁰С возрастает соответственно на 15, 35 и 55%. Уменьшение диаметра зерна меди до 7 нм повышает удельное электросопротивление в несколько раз.

Имеются и другие особые свойства нанокристаллических материалов.

Нанокристаллические порошки металлов, карбидов, нитридов, оксидов и других материалов получают физическими и химическими методами: испарением материалов в инертной или активной газовой среде; размолом с интенсивным подводом энергии в зону измельчения; синтезом порошка с использованием плазмы, лазерного нагрева, термического разложения веществ электролизом.

Частицы получаемых порошков являются неравновесными, в них запасена избыточная энергия по сравнению с обычным крупнозернистым материалом. Значительная доля упругой энергии порошковых частиц обусловлена, во-первых, вкладом поверхностного слоя, во-вторых, под влиянием поверхностного слоя материал частиц испытывает сжатие, и кристаллическая решетка оказывается упруго искаженной (в частности, при диаметре зерна менее 10 нм и поверхностном натяжении 2 н/м давление достигает 1 ГПа).

Нанокристаллические порошки плохо прессуются. В формованном изделии остаточная пористость по объему достигает 10%, у металлических нанокристаллических материалов ее удается сократить до 3% (об.), в керамических материалах (у которых порошки прессуются еще хуже) остаточная пористость составляет 15% (об.). Из-за пористости свойства порошковых нанокристаллических материалов непостоянны. В то же время получение и переработка нанокристаллических порошков является наиболее универсальным методом создания нанокристаллической структуры в различных материалах.

1. Полосчатость микроструктуры, текстура, остаточные напряжения

Увеличение напряжения сверх предела текучести и пластическая деформация поликристалла приводит к тому, что зерна получают вытянутую форму в направлении наиболее интенсивного течения металла.

Рис.45 Определенная ориентировка вытянутых

в результате деформации зерен называется

полосчатостью микроструктуры (см. рис. 45).

Рис.46

Одновременно с изменением формы зерен в процессе деформации происходит поворот кристаллографических осей отдельных зерен в пространстве.

На рис. 46 видно, что сдвиг по плоскостям скольжения должен приводить к смещению торцев образца. Но при растяжении образца торцы не смещаются, и сдвиг в этом случае возможен только при повороте плоскостей скольжения в направлении деформации растяжения.

Таким образом, при значительной деформации поликристалла возникает преимущественная ориентировка кристаллографических осей всех зерен, которая называется текстурой. Это приводит к анизотропии свойств поликристалла.

Разная ориентировка плоскостей скольжения в зернах поликристалла и связанная с этим разная величина упругой деформации, соответствующей началу пластической деформации в отдельных зернах, приводят при разгрузке к возникновению остаточных напряжений 2-го рода. На рис. 47 показаны два смежных зерна, по разному ориентированные в отношении действующей нагрузки. В слабом зерне, которое деформируется первым, уже прошла пластическая деформация, тогда как в сильном зерне деформация еще не вышла из области упругой деформации.

При снятии внешней нагрузки в слабом зерне имеет место остаточная де-

формация, и ввиду сплошности тела оно не позволяет сильному зерну полностью снять его упругую деформацию. Следовательно, сильное зерно остается под действием остаточных растягивающих напряжений со стороны слабого зерна, тогда как на слабое зерно со стороны сильного действуют остаточные сжимающие напряжения.

Остаточные напряжения условно делятся на три рода.

Напряжения 1-го рода уравновешиваются между отдельными частями тела (например, переход от деформированной части заготовки к недеформированной ).

Напряжения 2-го рода уравновешиваются между отдельными зернами поликристалла.

Напряжения 3-го рода уравновешиваются между отдельными группами атомов внутри зерна (например, дислокации).

Неодновременное включение зерен в пластическую деформацию и возникновение при разгрузке остаточных напряжений 2-го рода приводят к следующим особенностям деформирования.

1. Нелинейность зависимости деформации от напряжения при нагружении выше предела пропорциональности объясняется тем, что часть зерен начинает деформироваться пластически.

2. Упругое последействие, которое состоит в том, что образец под действием постоянной нагрузки, не превышающей предел текучести, с течением времени получает дополнительную деформацию, а после снятия внешних сил имеет некоторую остаточную деформацию, со временем уменьшающуюся или даже исчезающую. В данном случае в слабых зернах имеют место пробеги дислокаций сначала в одну, затем в другую сторону.

3. Релаксация напряжений, заключающаяся в том, что с течением време-

4. ни убывает сила (напряжение), необходимая для поддержания постоянной деформации образца. Объясняется это тем, что в результате пробега дислокаций в слабых зернах доля упругой деформации убывает.

5. Упругий гистерезис - это явление, характеризующееся тем, что линия нагружения на графике «сила - деформация» не совпадает с линией разгрузки, образуя петлю гистерезиса, которая характеризует работу, выделяющуюся в процессе деформации в виде тепла.

6.5. Упрочнение при холодной пластической деформации.

С увеличением степени пластической деформации увеличиваются все показатели сопротивления деформированию: пределы упругости, текучести, прочность и твердость металла. Одновременно снижаются показатели пластичности (рис. 48). Под пластичностью будем понимать способность металла к формоизменению без разрушения.

Прочность и твердость