Структурно-механические свойства металлов в процессе их деформации

2. Структурно-механические свойства металлов в процессе их деформации

         Напряжения, развиваемые в металле под воздействием приложенных сил, могут вызывать упругие пластические деформации.

         Пластическая деформация – это деформация, которая отсеется после снятия нагрузки. По степени пластической деформации непосредственно перед разрушением судя о пластичности металла (резерв пластичности). Малым резервом пластичности обладает «хрупкий» материал. Пластичность, т.е. способность выдерживать большие остаточные деформации без разрушения в сочетании с высокой прочностью, делает металлы незаменимыми конструкционными материалами. Наиболее высокой прочностью при достаточной пластичности обладают стали, поэтому они шире всего применяются в технике по сравнению с другими металлами.

         Пластическая деформация сопровождается не только изменением формы, но и изменением структуры металла, которое заключается в вытягивании зерен и измельчении блочной структуры. Деформация отдельного кристалла под действием напряжений происходит путем относительного смещения некоторых объемов зерна по кристаллографическим плоскостям. В результате смещения и поворотов отдельных частей зерна все зерна в металле вытягиваются вдоль направления деформирования, образуя при больших степенях деформации направленную структур. При деформировании такой направленной или волокнистой структуры металл становится неравнопрочным: прочность поперек волокон будет меньше прочности вдоль волокон.

         В реальном кристалле атомы располагаются правильно лишь в пределах небольших участков – блоков, которые повернуты один относительно другого на небольшие углы. Блоки обычно состоят из 2000 – 10000 атомов. На границах блоков возникают нарушения в правильности расположения атомов, т.е. образуется система дислокации.

         При деформации под действием напряжений блочная структура измельчается, что приводит к значительному увеличению плотности дислокаций и резкому возрастанию внутрикристаллических и межкристаллических напряжений. Все это приводит к повышению твердости, пределов прочности, текучести, упругости и уменьшению пластичности деформированного материала. Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом.

         Существенное влияние на предел текучести и деформационное упрочнение оказывают температура и скорость деформации. Эта зависимость обусловлена тем, что дислокации в процессе движения должны преодолевать энергетические барьеры. Термическая активация помогает прохождению этих процессов. Поэтому при снижении температуры сопротивление деформированию увеличивается. Предел текучести во всех металлах при понижении температуры возрастает. Термическая активация эффективно действует не только на начальных стадиях деформации, но и на более поздних – в процессе развития деформационного упрочнения.

         Повышение скорости деформации действует на предел текучести и деформационное упрочнение аналогично снижению температуры: с повышением скорости приложения нагрузки растет напряжение начала пластической деформации. При очень малых скоростях деформации, сравнимых со скоростями протекания диффузионных процессов в кристаллах, опять наблюдается некоторый рост напряжения начала пластической деформации. Это связано с тем, что при столь малых скоростях нагружения происходит «залечивание» слабых мест в кристалле.

         Помимо температуры и скорости деформации на предел текучести и деформационное упрочнение сильное влияние оказывает размер зерна. При уменьшении размера зерна возрастание прочности сопровождается сохранением достаточного резерва пластичности. Поэтому весьма перспективны методы упрочнения металлических материалов путем создания в них сверхмелкого зерна.

Рекомендуемые материалы

         В строительстве наклеп используют как наиболее простой способ упрочнения горячедеформированных арматурных сталей при их вытяжке до напряжений, превышающих предел текучести.

         Структурные изменения, вызванные пластической деформацией, не являются устойчивыми и сохраняются только из-за малой подвижности атомов при низких температурах. При нагреве деформированные зерна будут постепенно перекристаллизовываться в округлые, равносные, т.е. структура станет такой, какой она была до деформации. Этот процесс восстановления прежней структуры называется рекристаллизацией. При этом меняются и механические свойства металла: снижается твердость и прочность, возрастает пластичность. Температура, при которой восстанавливаются прежние свойства, называется температурой начала рекристаллизации: Т_р=aТ_пл, где Т_пл – температура плавления; a – коэффициент, зависящий от состава и структурного состава материала. Для технически чистых материалов этот коэффициент равен 0,4, а для сплавов – твердых растворов 0,5 – 0,6.

         Повышение прочности и понижение пластичности низкоуглеродистых, особенно кипящих сталей, могут продолжаться и после снятия нагрузки, вызвавшей пластическую деформацию. Это вызывается тем, что измельчение зерен и искажение пространственных решеток при пластической деформации приводят к неустойчивости твердых растворов и уменьшают растворимость отдельных компонентов (азота и др.). Выделение из раствора в течение определенного времени новых фаз в тонкодисперсном состоянии вызывает изменение свойств стали, которое называют старением. Процесс старения ускоряется с повышением температуры. При нагреве до 200 – 400 ^оС наклепанная мягкая сталь, вследствие быстрого протекания процесса старения, утрачивает пластичность и делается хрупкой.

         Важнейшими свойствами металла, характеризующими его работу во времени являются: релаксация напряжений, ползучесть, выносливость, ударная вязкость и внутреннее трения.

         Релаксация напряжений является процессом уменьшения во времени напряжений деформируемого материала в результате перехода упругой деформации в пластическую при условии постоянства общей деформации. Релаксация напряжении наблюдается в предварительно напряженной арматуре в период изготовления железобетонных конструкций. Развитие процессов релаксации напряжений в металлах имеет три ярко выраженных периода (рис. 11.19): первый – период большой скорости и значительного падения напряжений; второй – резкого снижения скорости и замедления падения напряжений; третий – резкого увеличения скорости.

         Первый период непродолжителен (10 – 24 ч), но потери напряжений к началу второго периода составляют 50 – 70 % общих потерь. Следует отметить, что этот период совпадает по времени с технологией изготовления железобетонных изделий, когда на напряженную арматуру воздействуют различные факторы (вибрация, перепад температуры и пр.)

          Процесс релаксации в металлах обусловлен следующими механизмами: сдвигово-дислокационным (объясняется вязким течением по границам зерен, развитием пластических деформаций внутри зерна и движением дислокаций); диффузионным (объясняется диффузией атомов из напряженных областей атомной решетки в менее напряженные); дислокационно-диффузионным (объясняется падением напряжения в стали при совместном развитии процессов движения дислокаций и диффузии атомов).

         Под ползучестью понимают процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении. Он начинается сразу после возникновения мгновенной деформации. Явление ползучести (крип) играет важную роль в технике. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиваться значительная деформация конструкции, а иногда и ее разрушение. Таким образом, ползучесть лимитирует длительность эксплуатации конструкций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур. Процесс ползучести способен существенно изменить структуру металла, а следовательно, и его механические характеристики.

         Скорость ползучести может меняться в очень широких пределах. Она ничтожна для низких температур и малых напряжений и значительна при высоких температурах и больших нагрузок. Проявления ползучести многообразны, и характер этого процесса определяется в основном температурой и нагрузкой.

         Ползучесть при низких температурах и малых напряжениях характеризуется там, что ее скорость со временем уменьшается и постепенно становится равной нулю, т.е. процесс ползучести прекращается. При высоких температурах и больших напряжениях ползучесть протекает гораздо интенсивнее и приводит к значительным деформациям и разрушению. Для этого типа ползучести характерны уменьшение скорости ползучести в начале до некоторого постоянного значения, затем снова увеличение перед разрушением.

         Между основными реологическими характеристиками металлов – ползучестью и релаксацией – существует тесная связь, так как физико-механические основы обоих явлений одинаковы. Они являются следствием несовершенства структуры металлов, наличие в них дислокаций, движение которых Вызывает пластическую деформацию. Потери напряжений от релаксации в арматуре являются одним из основных слагаемых потерь предварительного напряжения. Их величина влияет на момент трещинообразования железобетонных конструкций, ширину раскрытия трещин, деформации элементов и тем самым может определять количество напрягаемой рабочей арматуры.

         В зависимости от вида условий напряжения металлы могут разрушаться вязко и хрупко. Вид разрушения образца зависит, в первую очередь, от соотношения его предела текучести, определяющего сопротивление металла пластической деформации, и сопротивления отрыву.

Ещё посмотрите лекцию "8.0 Луганск в годы фашистского нашествия" по этой теме.

         При понижении температуры испытание или увеличение скорости приложение нагрузки предел текучести повышается, а сопротивление металла хрупкому отрыву остается практически без изменения. С увеличением скорости приложения нагрузки (сверх критической) при данной температуре может произойти разрушение металла путем отрыва под действием нормальных напряжений раньше, чем под действием касательных напряжений произойдет пластическая деформация.

         Таким образом, переход от статических испытаний (статическое напряжение, сжатие и др.) к динамическим (ударный изгиб) позволяет определить склонность материала к хрупкому разрушению в условиях неоднородности напряженного состояния и динамического нагружения.

         Детали строительных конструкций имеют сложную конфигурацию, и напряжения в них распределяются неравномерно, а концентрируются в местах переходов сечений, дефектов металла и т.д. Например, гладкий лист или труба всегда имеют на поверхности какие-то неровности и шероховатости, которые также являются концентраторами напряжений. Как практически нельзя получить металл без искажений в кристаллической решетки, так и нельзя иметь изделие или деталь без концентраторов напряжений.

         Концентраторы напряжений приводят к снижению конструктивной прочности металла. В металле, не способном к пластической деформации, состояние неравномерного напряжения сохранится и в местах концентрации напряжений может возникнуть трещина, которая еще более усилит неравномерность распределения напряжений и ускорит разрушение. Поэтому для надежной и безопасной эксплуатации нагруженных конструкций необходимо, чтобы металл наряду с высокой прочностью всегда имел известный запас пластичности или вязкости.

         Все методы значительного упрочнения металла ведут одновременно к понижению запаса его пластичности и вязкости. Это объясняется тем, что при упрочнении металла происходит увеличение плотности дислокаций, несовершенств и дефектов кристаллической решетки, которые повышают сопротивление металла пластическому сдвигу относительно быстрее, чем сопротивление отрыву.

         При относительно малых степенях упрочнения металла разрушение происходит после предварительной пластической деформации, на осуществление которой тратится значительная доля работы, требуемой для разрушения его. Такой металл пластичен и вязок. Если у металла сопротивление сдвигу больше сопротивления отрыву, то разрушение происходит без предварительной пластической деформации – металл хрупок.