с войства Пластичность и ударная вязкость

степень деформации %.

Рис.48

Например для Ст 3 при  = 70% увеличение прочности (σ_в) наблюдается примерно в два раза, с 50 до 95 кг/мм², а относительное удлинение  понижается примерно в 15 раз, с 30 до 2%.

Совокупность явлений, связанных с изменением механических характеристик и физико-химических свойств металлов в процессе пластической деформации, называется упрочнением (наклепом).

Упрочнение объясняется прежде всего тем, что с увеличением степени деформации на несколько порядков увеличивается число дислокаций. В отожженном металле число дислокаций составляет 10⁷ - 10⁸ на 1 см², в сильно деформированном - уже 10¹¹ - 10¹² на 1 см². При увеличении числа дислокаций их свободное перемещение сильно затрудняется взаимным влиянием, особенно на участках пересечения плоскостей скольжения, где дислокации «застревают», и около них скапливаются дислокации одинакового знака.

Особо эффективным барьером для дислокаций являются границы зерен, а т.к. при деформации происходит измельчение зерен и блоков, то увеличивается общая площадь границ, где происходит торможение дислокаций.

6.6. Напряжение текучести. Степень деформации. Кривые упрочнения

Механические свойства металла описываются диаграммами «напряжение– деформация», типовой вид которых для одноосного растяжения цилин-

дрического образца показан на рис. 49. При этом диаграммы могут быть построены в условных напряжениях (рис. 49, а) или в истинных напряжениях (рис. 49, б).

Степень деформации при испытании образца на растяжение определяется как относительное удлинение ,

либо как относительное сужение , где L₀ и L - начальная и конечная длина образца, F₀ и F – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца, см. рис. 50.

Степень деформации при испытании на сжатие (рис.51),:

и , где H₀ и H – начальная и конечная высота.

Условным напряжением называется отношение действующей силы к исходному сечению образца во всем интервале деформаций, вплоть до разрушения.

Истинным напряжением называется отношение действующей силы к

истинному значению площади поперечного сечения образца в каждый момент времени, учитывая изменение этой площади в процессе деформации. Так, например, при растяжении образца его сечение постоянно уменьшается,

а с некоторого момента образуется местная шейка, по которой и происходит разрушение.

Диаграмма на рис. 49,«а» имеет несколько характерных участков. При малых напряжениях наблюдается линейная зависимость деформации  от напряжения  ( участок ОА). Особенностью этого участка является то, что после снятия нагрузки форма и размеры образца восстанавливаются, т. е. деформация является упругой. Для металлов упругая деформация _у  1%. Напряжение в точке «А» называется пределом упругости _у. На этом участке металл подчиняется закону Гука:  = Е, где Е-модуль упругости материала.

За пределами упругой области деформация переходит в пластическую область (участок «АС»). Напряжение _т, соответствующее началу пластического течения металла и появлению остаточной деформации, называется пределом текучести. При достижении этого напряжения деформация может возрастать без увеличения нагрузки. Площадка текучести (участок «ВС») наблюдается не у всех металлов.

Точка «Д» на диаграмме соответствует разрушению образца, а напряжение _в в этой точке называется пределом прочности.

Диаграмма истинных напряжений (риса.49, б) имеет монотонный, постоянно возрастающий характер.

Зависимость величины истинного напряжения в пластически деформируемом теле от величины деформации называется кривой упрочнения. Кривые упрочнения строят по данным испытания образцов на растяжение или осадку.

Если в этих испытаниях имеет место линейное напряженное состояние, то напряжение текучести определяется как s = Р / F_и ,

где F_и - истинная площадь сечения образца в данный момент. Поэтому напряжение текучести (обозначается _s) называют истинным, в отличие от условного предела текучести (обозначается _т).

При испытании на растяжение линейное напряженное состояние существует лишь до начала образования шейки, после чего нарушается равномерность распределения деформаций, и напряженное состояние становится объемным. Поэтому построение кривой упрочнения для деформаций, больших, чем до начала образования шейки, затрудняется и возможно лишь с определенным приближением.

При испытании на осадку нет ограничения по величине деформации, однако необходимо исключить влияние контактного трения, чтобы напряженное состояние оставалось линейным. Л.А. Шофман предложил способ, исключающий влияние контактного трения при определении напряжения текучести. Суть способа состоит в том, что испытывается несколько образцов на осадку с различным соотношением d / h и определяется напряжение текучести s_и = Р/ F_и. путем экстраполяции зависимостей s = f (d / h) на абсциссу d / h = 0 при одинаковых степенях деформации (см. рис. 52). Для всех образцов отмечалось напряжение _1, соответствующее одной и той же степени деформации (например, ₁). Далее строилась функция _1 = f (d/h) и экстраполировалась на d/h = 0. Полученное истинное значение  соответствовало деформации ₁ (см. рис. 52).

d

h

d₁ / h ₁ d₂ / h₂ d₃ / h₃

₁ ₂ ₃

_1



₁ ₁ ₁

_1 при d / h =0 d₁/h₁, d₂/h₂, d₃/h₃

Рис.52

Кривые упрочнения подразделяют на кривые 1 и 2 рода. Это зависит от принятого показателя степени деформации.

Для кривых 1-го рода и , где  и  изменяются от 0 до .

Для кривых 2-го рода: и

где  и  изменяются от 0 до 1.

При испытании на растяжение зависимость  = f () можно выразить степенной функцией вида _s = cⁿ .

При  = _ш , _{s =} _ш , где индекс «ш» показывает, что эти величины соответствуют началу образования шейки на растягиваемом образце.

Следовательно, с = и тогда .

Сила Р в любой момент растяжения до начала образования шейки

= ,

,

n - n -  = 0, n (1-) = , . Для момента начала образования шейки ψ = .

Подставляя n в исходную формулу и заменяя в последней σ_ш через σ_в получим , следовательно .

1. Деформация при повышенных температурах

7.1. Возврат и рекристаллизация

Ранее было сказано, что при холодной деформации зерна получают разную по величине упругую деформацию, в результате чего после снятия внешних сил в металле возникают остаточные напряжения.

Если холоднодеформированное, т.е. упрочненное, тело нагреть, то происходит процесс, обратный упрочнению – разупрочнение. Процесс разупрочнения при нагреве до температуры (0,25 – 0,3) Т_пл называется возвратом, а при нагреве выше 0,4 Т_пл – рекристаллизацией. Здесь Т_пл – абсолютная температура в градусах Кельвина. При нагреве до температуры возврата амплитуда тепловых колебаний атомов и их подвижность возрастают настолько, что становится возможным переход атомов из неравновесного положения в равновесное. В результате искаженная при холодном деформировании решетка частично восстанавливается, упругие деформации отдельных зерен уменьшаются и тем самым снимаются остаточные напряжения, возникшие при холодном деформировании.

Для прохождения процесса возврата, т.е. снятия остаточных напряжений и восстановления упруго искаженной кристаллической решетки, проводят термическую обработку, называемую низкотемпературным отжигом.

Возврат приводит к некоторому уменьшению сопротивления деформированию и к увеличению пластичности материала.

Если проводить деформирование при температурах возврата, то интенсивность упрочнения снижается по сравнению с холодным деформированием. Размеры и форма зерен при возврате не меняются, наблюдается текстура деформации.

Термообработка при более высоких температурах называется высокотемпературным (рекристаллизационным) отжигом и приводит к практически полному разупрочнению: зерна вытянутой формы становятся равноосными, уничтожаются текстура деформации и связанная с ней анизотропия свойств, значительно снижается сопротивление деформированию, увеличивается пластичность, полностью снимаются остаточные напряжения.

Рекристаллизация - это процесс зарождения и роста новых, т. е. неупрочненных, зерен из ориентированных вытянутых упрочненных зерен. Это связано с тем, что увеличение температуры поднимает энергетический потенциал атомов настолько, что последние получают возможность перегруппировок и интенсивного обмена местами.

Различают две стадии рекристаллизации – первичную и собирательную, которые протекают последовательно. Первичная стадия заключается в образовании зародышей и росте новых неупрочненных зерен. Зародышами новых зерен становятся имеющиеся в деформированном металле ячейки с относительно правильной решеткой. К правильным ячейкам-зародышам пристраиваются близлежащие атомы искаженной решетки и начинает расти новое зерно с правильной решеткой за счет поглощения атомов деформированного зерна. Вследствие одинаковых возможностей роста новых зерен во всех направлениях новые зерна, образующиеся из зародышей, равноосны. Собирательная рекристаллизация заключается в объединении первичных мелких зерен в крупные зерна.

Рекристаллизация происходит во времени и с некоторой скоростью, величина которой зависит от температуры и степени деформации. Чем выше то и другое, тем выше скорость рекристаллизации.

Если проводить деформирование металла при повышенных температурах, то пластическая деформация тела сопровождается протеканием двух противоположных процессов - упрочнения и разупрочнения. Величина упрочнения определяется физической природой материала и степенью деформации, степень разупрочнения – полнотой прохождения процесса рекристаллизации, зависящей от времени и скорости рекристаллизации. Совокупность значений температуры, скорости и степени деформации называют термомеханическим режимом обработки давлением. От него зависит конечная кристаллическая структура, которую будет иметь металл после деформирования.