Физические основы пластической деформации, страница 8

Уменьшение диаметра зерна меди до 7 нм повышает удельное электросопротивление в несколькораз.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 собычным крупнозернистым материалом. Значительная доля упругой энергии порошковых частиц обусловлена, вопервых, вкладом поверхностного слоя, во-вторых, под влиянием поверхностного слоя материал частиц испытываетсжатие, и кристаллическая решетка оказывается упруго искаженной (в частности, при диаметре зерна менее 10 нм иповерхностном натяжении 2 н/м давление достигает 1 ГПа).30Нанокристаллические порошки плохо прессуются.

В формованном изделии остаточная пористость по объему достигает 10%, у металлических нанокристаллических материалов ее удается сократить до 3% (об.), в керамическихматериалах (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 переработкананокристаллических порошков является наиболее универсальным методом создания нанокристаллической структуры в различных материалах.6.4.Рис.45Полосчатость микроструктуры, текстура, остаточные напряженияУвеличение напряжения сверх предела текучести и пластическая деформация поликристалла приводит к тому, что зерна получают вытянутую форму в направлениинаиболее интенсивного течения металла.Определенная ориентировка вытянутыхв результате деформации зерен называетсяполосчатостью микроструктуры (см. рис.

45).Рис.46Одновременно с изменением формы зерен в процессе деформации происходит поворот кристаллографических осейотдельных 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 внаправлении 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 упругойдеформации, 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 ориентированныев 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 деформация, 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.31Остаточные 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 превышающейпредел текучести, с течением времени получает дополнительную деформацию, а после снятия внешних сил имеетнекоторую остаточную деформацию, со временем уменьшающуюся или даже исчезающую.

В данном случае вслабых зернах имеют место пробеги дислокаций сначала в одну, затем в другую сторону.3. Релаксация напряжений, заключающаяся в том, что с течением време4. ни убывает сила (напряжение), необходимая для поддержания постоянной деформации образца. Объясняется этотем, 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 впроцессе деформации в виде тепла.6.5.

Упрочнение при холодной пластической деформации.С увеличением степени пластической деформации увеличиваются всепоказатели 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 твердостьсвойстваПластичность и ударная вязкостьстепень деформации %.Рис.48Например для Ст 3 при  = 70% увеличение прочности (σв) наблюдается примерно в два раза, с 50 до 95 кг/мм2,а относительное удлинение  понижается примерно в 15 раз, с 30 до 2%.32Совокупность 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 сильнозатрудняется 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 упрочненияМеханические свойства металла описываются диаграммами «напряжение– деформация», типовой вид которыхдля одноосного растяжения цилиндрического 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 удлинениеεL  L0L0 ,либо как относительное сужениеψF  F0,F0где L0 и L - начальная и конечнаядлина образца, F0 и F – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца, см.

рис. 50.Степень деформации при испытании на сжатие (рис.51),:εH0  HH0иψF  F0,F0где H0 иH – начальная и конечная высота.33Условным напряжением называется отношение действующей силы к исходному сечению образца во всем интервале деформаций, вплоть до разрушения.Истинным напряжением называется отношение действующей силы кистинному значению площади поперечного сечения образца в каждый момент времени, учитывая изменение этойплощади 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 послеснятия 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 пределомтекучести. 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 пределомпрочности.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 определяетсякак  = Р / Fи ,где Fи - 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 ивозможно лишь с определенным приближением.При испытании на осадку нет ограничения по величине деформации, однако необходимо исключить влияние контактного трения, чтобы напряженное состояние оставалось линейным.