Методичка (МУ - Физические основы пластической деформации), страница 8

Из-за пористости свойства порошковыхнанокристаллических материалов непостоянны. В то же время получение ипереработка нанокристаллических порошков является наиболее универсальным методом создания нанокристаллической структуры в различных материалах.436.4.Рис.45Полосчатость микроструктуры, текстура, остаточные напряженияУвеличение напряжения сверх предела текучести и пластическая деформация поликристалла приводит к тому, что зерна получаютвытянутую форму в направлении наиболееинтенсивного 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 осей отдельных зерен в пространстве.На рис. 46 видно, что сдвиг по плоскостям скольжения должен приводить ксмещению торцев образца. Но при растяжении образца торцы не смещаются, исдвиг в этом случае возможен только при повороте плоскостей скольжения внаправлении деформации растяжения.Таким образом, при значительной деформации поликристалла возникаетпреимущественная ориентировка кристаллографических осей всех зерен, которая называется текстурой.

Это приводит к анизотропии свойств поликристалла.Разная ориентировка плоскостей скольжения в зернах поликристалла исвязанная с этим разная величина упругой деформации, соответствующей началу пластической деформации в отдельных зернах, приводят при разгрузке квозникновению остаточных напряжений 2-го рода.

На рис. 47 показаны двасмежных зерна, по разному ориентированные в отношении действующей нагрузки. В слабом зерне, которое деформируется первым, уже прошла пласти-44ческая деформация, тогда как в сильном зерне деформация еще не вышла изобласти 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 остаетсяпод действием остаточных растягивающих напряжений со стороны слабогозерна, тогда как на слабое зерно со стороны сильного действуют остаточныесжимающие напряжения.Остаточные напряжения условно делятся на три рода.Напряжения 1-го рода уравновешиваются между отдельными частямитела(например, переход от деформированной части заготовки к недеформированной ).Напряжения 2-го рода уравновешиваются между отдельными зернамиполикристалла.Напряжения 3-го рода уравновешиваются между отдельными группамиатомов 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 нагружениивыше предела пропорциональности объясняется тем, что часть зерен начинает деформироваться пластически.2. Упругое последействие, которое состоит в том, что образец под действиемпостоянной нагрузки, не превышающей предел текучести, с течением времени получает дополнительную деформацию, а после снятия внешних силимеет некоторую остаточную деформацию, со временем уменьшающуюсяили даже исчезающую. В данном случае в слабых зернах имеют местопробеги дислокаций сначала в одну, затем в другую сторону.3. Релаксация напряжений, заключающаяся в том, что с течением време-454.5.ни убывает сила (напряжение), необходимая для поддержания постояннойдеформации образца.

Объясняется это тем, что в результате пробега дислокаций в слабых зернах доля упругой деформации убывает.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 всепоказатели сопротивления деформированию: пределы упругости, текучести,прочность и твердость металла.

Одновременно снижаются показатели пластичности (рис. 48). Под пластичностью будем понимать способность металлак формоизменению без разрушения.Прочность и твердостьсвойстваПластичность и ударная вязкостьстепень деформации %.Рис.48Например для Ст 3 при  = 70% увеличение прочности (σв) наблюдаетсяпримерно в два раза, с 50 до 95 кг/мм 2, 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 дислокацийих свободное перемещение сильно затрудняется взаимным влиянием, особеннона участках пересечения плоскостей скольжения, где дислокации«застревают», и около них скапливаются дислокации одинакового знака.Особо эффективным барьером для дислокаций являются границы зерен, ат.к.

при деформации происходит измельчение зерен и блоков, то увеличиваетсяобщая площадь границ, где происходит торможение дислокаций.466.6. Напряжение текучести. Степень деформации. Кривые упрочненияМеханические свойства металла описываются диаграммами «напряжение– деформация», типовой вид которых для 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 определяетсяL  L0L0 ,F  F0ψ,F0εкак относительное удлинениелибо как относительное сужениегде L0 и L - начальная и конечная длина образца, F0 и F – начальная и конечнаяплощадь поперечного сечения образца, см. рис. 50.Степень деформации при испытании на сжатие (рис.51),:47εH0  HH0иψF  F0,F0где 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 кистинному значению площади поперечного сечения образца в каждый моментвремени, 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 происходитразрушение.Диаграмма на рис.

49,«а» имеет несколько характерных участков. Прималых 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%. Напряжениев 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 пластическоготечения металла и появлению остаточной деформации, называется пределомтекучести. При достижении этого напряжения деформация может возрастатьбез увеличения нагрузки. Площадка текучести (участок «ВС») наблюдается неу 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.

Кривыеупрочнения строят по данным испытания образцов на растяжение или осадку.Если в этих испытаниях имеет место линейное напряженное состояние, тонапряжение текучести определяется как  = 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,48чем 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 напряженноесостояние оставалось линейным. Л.А. Шофман предложил способ, исключающий влияние контактного трения при определении напряжения текучести. Сутьспособа состоит в том, что испытывается несколько образцов на осадку с различным соотношением d / h и определяется напряжение текучести и = Р/ Fи.путем экстраполяции зависимостей  = f (d / h) на абсциссу d / h = 0 приодинаковых степенях деформации (см.

рис. 52). Для всех образцов отмечалосьнапряжение 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).dhd1 / h 11d2 / h22d3 / h3311111 при d / h =0d1/h1, d2/h2, d3/h3Рис.52Кривые упрочнения подразделяют на кривые 1 и 2 рода. Это зависит отпринятого показателя степени деформации.Для кривых 1-го рода ε L  L0L0иψF  F0,F0где  и  изменяются от 0 до .Для кривых 2-го рода:где иεL0  LиL0изменяются от 0 до 1.49ψF0  FF0При 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 =ζшψ шnζs и тогдаζш nψ .ψ шnСила Р в любой момент растяжения до начала образования шейкиP  ζs F dPdψζшζш nF0 ψ n  ψ n 1  ,ψ F0 1  ψ  =nnψшψшζшζF0 nψ n 1  n  1ψ n  шn F0 ψ n 1 n  n  1ψ   0 ,nψшψшψn - n -  = 0, n (1-) = , n .1 ψψшДля момента начала образования шейкиψ=.1  ψшПодставляя n в исходную формулу и заменяя в последней σш через σв получим ζ шζвFζв ζв 0 , следовательно ζ s F 1  ψш1  ψшψш ψ  1ψш. ψш 7.

Деформация при повышенных температурах7.1. Возврат и рекристаллизацияРанее 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) Тпл называется возвратом, а принагреве выше 0,4 Тпл – рекристаллизацией. Здесь Тпл – абсолютная температурав градусах Кельвина. При нагреве до температуры возврата амплитуда тепловых колебаний атомов и их подвижность возрастают настолько, что становитсявозможным переход атомов из неравновесного положения в равновесное. Врезультате искаженная при холодном деформировании решетка частично восстанавливается, упругие деформации отдельных зерен уменьшаются и тем50самым снимаются остаточные напряжения, возникшие при холодном деформировании.Для прохождения процесса возврата, т.е.