Методичка (МУ - Физические основы пластической деформации)

ЕЗЖЕВ А.С.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИМОСКВАМГТУ им. Н.Э. Баумана20022ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИСодержаниеСтр.Введение51. Кристаллическое строение вещества1.1. Понятие кристаллической решетки. Модель кристалла61.2. Типы кристаллической решетки, явление полиморфизма91.3. Параметры решетки, базис, координационное число101.4. Плотность упаковки атомов в решетке112. Индексация плоскостей и направленийв кристаллической решетке2.1. Индексация плоскостей122.2. Индексация направлений153.

Точечные дефекты кристаллической решетки3.1. Понятие кристаллической структуры, моно и поликристаллы163.2. Вакансии, дислоцированные и примесные атомы173.3. Движение атомов в кристалле, механизмы диффузии194. Деформация монокристалла4.1. Понятие напряжения и деформации214.2. Механизм сдвиговой деформации224.3. Напряжение сдвига атомных плоскостей245. Дислокации5.1. Понятие дислокации265.2. Механизм перемещения дислокации275.3.

Плотность дислокаций295.4. Краевая дислокация285.5. Винтовая дислокация295.6. Смешанная дислокация325.7. Контур и вектор Бюргерса335.8. Размножение дислокаций при пластическом деформировании346. Холодная пластическая деформация поликристалла6.1. Система скольжения396.2. Внутрикристаллитная и межкристаллитная деформация406.3. Нанокристаллические материалы406.4. Полосчатость микроструктуры, текстура, остаточные напряжения 446.5. Упрочнение при холодной деформации466.6.

Понятие напряжения текучести, степени деформации, кривыеупрочнения4737. Деформация при повышенных температурах7.1. Возврат и рекристаллизация7.2. Диаграмма рекристаллизации7.3. Виды деформации при обработке давлением8. Основные понятия и законы деформирования8.1. Закон наименьшего сопротивления8.2. Закон постоянства объема. Смещенный объем.Скорость деформации8.3. Закон неравномерности деформации и дополнительныхнапряжений8.4. Закон подобия и моделирования процессов обработки давлением9.

Контактное трение9.1. Понятие контактного касательного напряжения.Парность сил трения9.2. Виды трения. Сухое, жидкостное и граничное трение9.3. Граничные условия. Законы Амонтона-Кулона и Зибеля9.4. Основные факторы, влияющие на контактное трение9.5. Активные силы трения515254555761646667707273Заключение75ЛИТЕРАТУРА764ВведениеПри изготовлении любой детали методами обработки давлением разрабатывается технологический процесс, который устанавливает количество и содержание переходов, последовательно приближающих форму заготовки кформе готовой детали. При этом следует иметь в виду, что к одному и тому жерезультату можно прийти разными путями, т.е. технологический процесс вобработке давлением может быть многовариантным.Выбор варианта - ответственный этап в работе технолога.

В конечном итоге от того, как разработан технологический процесс, зависит эффективностьпроизводства детали - максимальная производительность и стойкость инструмента при минимальных отходах материала, капитальных вложениях и энергозатратах.Назначение оптимальных с точки зрения эффективности процесса в целомформоизменяющих переходов базируется на знании законов пластическоготечения металла, его напряженного и деформированного состояния в конкретных условиях обработки, допустимых степеней деформации и др.Студенты, обучающиеся по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением», изучают эти вопросы в курсе «Физикоматематическая теория ковки и штамповки», который состоит из двух основных частей.

В первой части курса излагаются физические основы пластического деформирования, в частности, кристаллическое строение металла, взаимодействие составляющих его частиц, механизм их относительного смещенияпод действием приложенных внешних сил, даются понятия напряжения, степени и скорости деформации, рассматриваются основные физические законы иусловия пластического деформирования. Вторая часть курса посвящена механике пластического деформирования, в которой математически разрабатываются вопросы напряженного и деформированного состояния металла, определяются величины и распределение напряжений в пластически деформируемомтеле, условия перехода тела в пластическое состояние и т.д. Этот раздел является теоретической основой для расчета технологических процессов обработкидавлением.Целью настоящего учебного пособия является помощь студентам в изучении физических основ пластической деформации металла, т.е.

по существу оноявляется первой частью курса « Физико-математическая теория ковки и штамповки ». Эта часть имеет самостоятельное значение, поскольку она позволяетнаметить новые области изучения пластической деформации. Например, приформовании тел с нанокристаллической структурой.Авторы выражают благодарность д.т.н., проф. Овчинникову А.Г., лекциикоторого по этому курсу были частично использованы при написании данногоучебного пособия.51. Кристаллическое строение вещества1.1. Понятие кристаллической решетки. Модель кристаллаКристаллические вещества характеризуются тем, что составляющие ихатомы расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку из повторяющихся геометрически правильных объемных ячеек.

В направлении трех выбранных координатных осей расстояния между соседнимиатомами постоянно повторяются, в результате чего и образуется такая решетка. Таким образом, кристаллической решеткой вещества называется совокупность составляющих его атомов, расположенных в строгом порядке.Пример кристаллической решетки показан на рис.1. Наименьшая частькристаллической решетки, определяющая всю систему строения вещества, называется элементарной ячейкой.

На рис. 2 показаны различные способы выбора элементарной ячейки. Кристаллическая решетка компонуется из любоготипа показанных элементарных ячеек. Однако, для удобства расчетов предпочтительно использовать элементарную ячейку, выбранную в прямоугольнойсистеме координат.Кристаллические решетки разных веществ различаются по форме и размерам элементарных ячеек.Упорядоченность кристаллической решетки является результатом взаимодействия межатомных сил.

Именно взаимодействие этих сил устанавливаетатомы в определенный порядок. Не будь такого взаимодействия, не было быникакого порядка, и мы имели бы не кристалл, а газ.6Модель кристаллической решетки может быть представлена шарами,связанными между собой прямыми проволочками соответствующей длины.Шары представляют собой атомы, а проволочки - символы связей, замороженное взаимодействие между атомами.

Такая модель дает хорошее представление о геометрии решетки, в ней отражены и порядок расположения атомов, инарушения этого порядка, которые могут проявляться в дефектах кристаллической решетки. Однако, в ней нет никакого движения атомов и она ничего неговорит о их взаимодействии.

Поэтому такую модель можно назвать «мертвой» моделью кристалла.Английский физик Л. Брэгг предложил другую, «живую» модель кристалла, которая иллюстрирует не только взаимное расположение атомов, но исилы взаимодействия между ними [4]. Это так называемая пузырьковая модель. Если в тарелку с мыльной водой добавить несколько капель глицерина,опустить конец шприца, соединенного с источником постоянного давлениявоздуха, и соответствующим образом отрегулировать подачу воздуха, то наповерхность будут выходить совершенно одинаковые пузырьки, которые расположатся на ней в один слой в определенном порядке. Этот плавающий плоти есть двухмерная живая модель кристалла.

Вид пузырьковой модели кристалла показан на рис. 3.Мыльные пузырьки не безучастны друг к другу. Два разобщенных пузырька на поверхности воды друг к другу притягиваются, а соприкоснувшись - отталкиваются и устанавливаются на определенном расстоянии друг от друга.Чем это объясняется?Известно, что любая изолированная система, на которую не действуютникакие внешние силы, стремится к минимуму своей потенциальной энергии.В нашем случае (см. рис. 4) каждый из пузырьков окружен областью, где уровень воды поднят над ее средним уровнем.

Следовательно, потенциальнаяэнергия системы увеличена, причем тем больше, чем большая масса воды и набольшую высоту поднята. Степень поднятия убывает по мере удаления от центра пузырька. Если пузырьки удалены друг от друга на расстояние, при котором области поднятия жидкости вокруг каждого из пузырьков частично перекрываются, то их сближение уменьшает массу поднятой жидкости и, следова-7тельно, потенциальную энергию. Поэтому и возникает сила притяжения, стремящаяся уменьшить потенциальную энергию системы.После того, как пузырьки соприкоснутся, прижимающая их сила увеличит давление заключенного в них газа, и возникнет сила отталкивания. Равновесие сил притяжения и отталкивания установит пузырьки на определенномрасстоянии друг от друга.Силы взаимодействия здесь действуют точно также, как между атомамив кристаллической решетке.Возвращаясь к решетке реального кристалла, можно сказать, что расположение атомов в узлах решетки соответствует их равновесному состоянию,которое характеризуется минимумом потенциальной энергии взаимодействияатома и взаимно уравновешенными силами притяжения и отталкивания от соседних атомов.Графики сил, действующих на атом, и его энергии показаны на рис.