25979

Холодная пластическая деформация

Лекция

Производство и промышленные технологии

Основными механизмами сдвиговой пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Скольжение - это такое перемещение одной части кристалла относительно другой, при котором кристаллическое строение обеих частей остается неизменным

Русский

2014-10-16

169 KB

11 чел.

Лекция 13

Холодная пластическая деформация.

1.1. Система скольжения.

Основными механизмами сдвиговой пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Скольжение - это такое перемещение одной части кристалла относительно другой, при котором кристаллическое строение обеих частей остается неизменным. Скольжение происходит, когда касательное напряжение в плоскости скольжения достигает определенного значения для данного материала - так называемого сопротивления сдвигу. В области сдвига кристаллическая решётка остается такой же, как и в обеих частях кристалла, и каждый атом в этой области перемещается на одинаковые расстояния, составляющие целое число периодов повторяемости решётки. Отполированная поверхность кристалла после деформации скольжением при рассмотрении в оптическом микроскопе оказывается покрытой одной или несколькими системами параллельных тонких линий, называемых линиями скольжения. Эти линии представляют собой ступеньки на поверхности, возникающие в результате сдвига кристалла вдоль плоскости, которая и называется плоскостью скольжения, а направление сдвига в этой области - направлением скольжения. Комбинация данной плоскости и направления скольжения в ней составляет систему скольжения.

1.2. Внутрикристаллитная и межкристаллитная деформация.

Внутрикристаллитная деформация является совокупностью основных процессов, обусловливающих изменение формы поликристаллического металла. При относительном смещении зерен в определенных условиях наблюдается межзеренная деформация. Так как пограничные участки зерен весьма неоднородны, а кристаллическая решетка искажена, пластический сдвиг на этих участках - сопровождается увеличением напряжения по сравнению с напряжением при сдвиге атомов в самом зерне. Таким образом, вблизи границ зерен расположены зоны затрудненной деформации. Наряду с этим на границе зерен могут быть микропустоты, скопления легкоплавких примесей, которые ослабляют связь между зернами, а следовательно, и прочность металла вблизи их границ.

Первый механизм называют внутрикристаллитной деформацией, а второй - межкристаллитной.

При холодной обработке давлением преобладает внутрикристаллитная деформация, так как пластичность кристаллов больше пластичности межкристаллитного вещества. При горячей обработке давлением межкристаллитное вещество, имеющее температуру плавления ниже, чем температура плавления кристаллов, обладает большей пластичностью, поэтому в процессе обработки преобладает межкристаллитная деформация.

Первые два процесса носят название внутрикристаллитной деформации, а последний - межкристаллитной деформации. Пластическое изменение формы может осуществляться одним из указанных выше процессов или благодаря одновременному протеканию двух или же всех трех процессов в зависимости от условий.

Следует помнить, что мелкозернистая структура металла способствует внутрикристаллитной деформации и препятствует межзеренным перемещениям.

При холодной обработке давлением, осуществляемой обычно при комнатной температуре, преобладает внутрикристаллитная деформация, а при горячей обработке - межкристаллитная. Объясняется это тем, что металл в нагретом состоянии имеет зерна более прочные и менее пластичные, чем их границы.

Если Гтах - Гга1п, то при верхней температуре цикла идет горячая деформация и могут интенсивно развиваться межзеренная деформация и разрушение, характерные для процессов ползучести и длительного разрушения с развитием диффузии, окисления и других процессов, а при Гтщ происходит главным образом внутрикристаллитная деформация и разрушение. При больших амплитудах при каждом температурном цикле чередуются и накладываются один на другой высоко - и низкотемпературные процессы. 

Пластическая деформация в поликристаллическом металле в основном развивается за счет внутрикристаллитной и межкристаллитной деформации. Внутрикристаллитная деформация протекает за счет скольжения и двойникования.

Как указывалось выше, применяемые в технике металлы и сплавы являются поликристаллическими телами. Общая пластическая деформация таких металлов складывается из внутрикристаллитной и межкристаллитной деформаций. Внутрикристаллитная деформация протекает за счет скольжения и двойникования; межкристаллитная состоит в поворотах зерен и смещении этих зерен относительно друг друга. Аналогично монокристаллу холодная пластическая деформация поликристаллического металла вызывает его упрочнение.

Основным процессом пластической деформации является скольжение. Скольжение в зернах поликристалла подчиняется тем же закономерностям, что и скольжение в монокристаллах. Межкристаллитная деформация, в результате которой происходит перемещение одних зерен относительно других, не может дать большого изменения формы, так как в поликристалле не происходит значительных взаимных перемещений зерен. Перемещение одних зерен относительно других в большинстве случаев разрушает границы зерен и способствует разрушению поликристалла. Межкристаллитную деформацию следует рассматривать как явление, сопутствующее внутрикристаллитной деформации, и надо стремиться к таким условиям деформации, при которых межкристаллитные перемещения сводились бы к минимуму. 

1.3. Нанокристаллические материалы.

В последние годы отмечается быстрый рост научного, промышленного и коммерческого интереса к новому классу материалов, появление которого отразило стремление к миниатюризации в практике построения различных объектов. Эти материалы, обладающие необычной атомно-кристаллической решеткой и демонстрирующие уникальные свойства, в России получили название ультрадисперсных материалов (УДМ), или ультрадисперсных систем (УДС), а в западной литературе — наноструктурных материалов (НСМ). В настоящее время обе эти терминологии равноправны и к этому новому классу относят материалы с размером морфологических элементов менее 100 нм. По геометрическим признакам эти элементы можно разделить на нольмерные атомные кластеры и частицы, одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы. Общепринято, что под УД или наноматериалами подразумеваются или намеренно сконструированные, или природные материалы, в которых один или более размеров лежат в диапазоне нанометров. К данной категорий относятся также так называемые «нано-нано» композиты, которые содержат более чем одну фазу, но все фазы менее 100 нм. Большое разнообразие типов УДМ при общности их размерного признака позволяет объединить их одним термином — наноматериалы. В настоящее время уже широко используются ультрадисперсные порошки (УДП), занимающие в США более 90 % рынка УДМ, нановолокна и нанопроволоки, нанопленки и нанопокрытия, и начинают получать все большее применение объемные наноматериалы — нанокристаллические и нанозернистые (с размером зерен менее 100 нм). Представление о нанокристаллах было введено в научную литературу в 80-х годах XX века X. Гляйтером (Германия) и независимо от него активно развивалось в России И. Д. Мороховым с сотрудниками. В бывшем СССР, а ныне в России большую роль в исследовании свойств наноматериалов, в разработке новых видов, технологий получения и использования (нанотехнологий) сыграла высшая школа. Начиная с 1985 г. в этих работах принимало участие более 30 вузов, в том числе такие московские вузы как МИСиС, МИФИ, МГУ, МХТИ, МАМИ, МГИ, МИХМ, МОПИ, УДН, МАТИ, МФТИ, МИТХТ и др. Эти работы продолжаются. Актуальность проблемы производства нано- или ультрадисперсных (УД) материалов определяется особенностью их физико-химических свойств, позволяющих создавать материалы с качественно и количественно новыми свойствами для использования на практике. Это связано с тем, что для материала таких малых размеров приобретает большее значение квантовая механика, а это существенным образом изменяет механические, оптические и электрические свойства вещества. Первые исследования наноматериалов показали, что в них изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др. Следовательно, можно говорить о наноструктурном состоянии твердых тел, принципиально отличном от обычного кристаллического или аморфного. Анализ теоретических и экспериментальных исследований, выполненных к концу 70-х годов, позволил сделать вывод об особом УД состоянии твердых тел, отличном от традиционных и аморфных материалов, и дать определение этого понятия на основе физической природы. В этом случае к нано- или УД материалам относят среды или материалы, которые характеризуются настолько малым размером морфологических элементов, что он соизмерим с одной или несколькими фундаментальными физическими величинами этого вещества (изменение периодов кристаллической решетки и др.). По мере того как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, все большая доля атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. Так, при размере структурных единиц 6 нм и толщине поверхностного слоя в один атом, почти половина атомов будет находиться на поверхности. Так как доля поверхностных атомов в УД материалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний, и разделение свойств на «объемные» и «поверхностные» приобретает, в какой-то мере, условный характер. Развитая поверхность оказывает влияние как на решеточную, так и на электронную подсистемы. Появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые влекут за собой изменения физических свойств УД систем, по сравнению с массивными материалами. Поведение УД материалов часто определяется процессами на границе частиц или зерен. Например, нанокерамика может деформироваться пластически достаточно заметно за счет скольжения по границам. Эта «сверхпластичная» деформация находится в сильном противоречии с хрупким поведением, ассоциирующимся с обычной керамикой. Из-за большого количества границ и, как следствие, этого большого количества коротких диффузионных расстояний, нанометаллы и керамики используют как твердофазный связующий агент для соединения вместе других (иногда разнородных) крупнозернистых материалов. Есть сведения, что некоторые керамики обладают исключительно низкой теплопроводностью. Это позволяет использовать их в качестве теплозащитных покрытий. Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорошков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков соответствующего состава позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, а также снижать температуру диффузионной сварки. Научные исследования по данной проблеме проводились уже более 100 лет назад. В 1861 году химик Т.Грэхем использовал термин «коллоид» для описания растворов, содержащих частицы диаметром от 1 до 100 нм в суспензии. Использование коллоидов можно считать одним из первых применений наноматериалов. Аналогичным образом достаточно давно применяются такие вещества, содержащие ультрадисперсные частицы, как аэрозоли, красящие пигменты, окрашивающие стеклоколлоидные частицы металлов. В последние годы вошло в обиход понятие нанотехнологии. Этим понятием обозначают процессы получения нано- или ультрадисперсных материалов, а также технологические процессы получения приборов, устройств, конструкций с использованием наноматериалов. Научно-техническое направление по получению и изучению свойств УД материалов сложилось в России (СССР) в 50-е годы XX века. На предприятиях атомной промышленности были получены УД порошки с размером частиц около 100 нм, которые были успешно применены при изготовлении высокопористых мембран для диффузионного метода разделения изотопов урана. В 60-е годы в ИХФ АН СССР был разработан левитационный метод получения УД порошков. В 70-е годы с помощью использования электрического взрыва проводников и плазмохимического синтеза ассортимент УД порошков был существенно расширен. В Московском институте стали и сплавов в 1970-е годы были разработаны химические методы синтеза нанопорошков железа и других металлов и композиций на их основе. В 1980-е годы в Германии были получены консолидированные нанокристаллические материалы. В последнее десятилетие в промышленно развитых странах сформировалось научно-техническое направление «Наночастицы, материалы, технологии и устройства», которое становится самым быстрорастущим по объему финансирования в мире. В 1980 г. были проведены исследования кластеров, содержащих менее 100 атомов. В 1985 г. Смайли и Крото с группой сотрудников нашли спектрографическое подтверждение, что кластеры углерода С60 (фуллерены) проявляют необычайную стабильность. В 1991г. С. Ииджима сообщил об исследовании углеродно-графитовых трубчатых нитей — нанотрубок.

1.4. Микроструктура, текстура, остаточные напряжения.

Эффективность производства, его технический прогресс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков и аппаратов, от всемерного внедрения методов технико-экономического анализа.

В связи с этим в учебном процессе высших учебных заведениях значительное место отводится самостоятельным работам таким, как курсовое проектирование по технологии машиностроения.

Остаточные напряжения. Классификация

В процессе производства деталей возникают технологические остаточные напряжения. Их появление связано с условиями изготовления деталей. В настоящее время имеется ряд работ, посвященных разработке методов определения остаточных напряжений в конструкционных материалах после различных видов механической обработки.

Виды остаточных напряжений

Остаточные напряжения обычно классифицируют по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля.

Напряжения 1-го рода – макронапряжения. Они охватывают области, соизмеримые с размерами детали, и имеют ориентацию, связанную с формой детали.

Напряжения 2-го рода – микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

Напряжения 3-го рода – субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.

Остаточные напряжения l-го рода в материале детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении. Их величина определяется плотностью дислокаций, а знак зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. Сжимающие остаточные напряжения возникают в случае преобладающего расположения у поверхности множества положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, а в случае рас положения у поверхности отрицательных дислокаций возникают остаточные напряжения растяжения.

По представлению физики твердого тела, напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50…200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.

Микронапряжения – местные остаточные напряжения 2-го рода. Они возникают в поликристаллических металлах в процессе деформации больших объемов в результате взаимодействия зерен. К остаточным напряжениям 2-го рода относят также и напряжения внутри отдельного зерна, обусловленные мозаичностью его структуры – результат взаимодействия между отдельными блоками. Эти напряжения являются следствием неоднородности физических свойств различных компонентов поликристалла, а также стесненных условий деформации отдельного зерна и анизотропии свойств внутри его. Основными причинами их возникновения являются фазовые превращения, изменения температуры, анизотропия механических свойств отдельных зерен, границы зерен и распад зерна на фрагменты и блоки при пластической деформации.

Фазовые превращения (в процессе его кристаллизации и остывания, термической обработки и распада твёрдого раствора), сопряженные с увеличением или уменьшением объёма отдельных зерен, порождают значительные остаточные напряжения.

При изменении температуры микронапряжения могут возникать из-за наличия в металле различных компонентов с различными коэффициентами линейного расширения, а также из-за анизотропии свойств отдельных зерен, особенно для металлов с некубической решеткой, обусловливающей различие в величине линейного расширения по разным кристаллографическим осям.

В реальном поликристаллическом металле вместо предполагаемого по расчету равномерного распределения напряжений от действия внешней нагрузки имеет место значительная неравномерность напряжений (деформаций) в отдельных зернах. Неравномерная пластическая деформация обусловливается разницей в модулях упругости различных структурных составляющих, а также неодинаковой способностью деформироваться по разным кристаллографическим осям одного и того же зерна, которая определяется величиной модулей упругости Е и G. В поликристалле, даже при однородном поле напряжений, пластическая деформация распределяется в микрообъемах неравномерно, степень неравномерности при этом достигает 400…500%. Скопление большого числа дислокаций в граничных слоях вызывает многочисленные искажения атомной решетки, а это создает напряжения 3-го рода. Наряду с этим граничный слой – зона силового взаимодействия между отдельными зернами – создает поле микронапряжений, охватывающих всю поверхность зерна.

Разделение объема зерна на блоки создает в зерне микронапряжения. Причиной возникновения их являются вновь образовавшиеся границы между блоками. В граничном слое между блоками накапливаются дислокации и атомы примесей, которые искажают кристаллическую решетку и порождают напряжения.

Отличие микро- и макронапряжений заключается не только в величине масштаба их проявления. Макронапряжения могут возникать в любой сплошной однородной изотропной среде. Микронапряжения в таком материале существовать не могут, они могут возникать вследствие существенной неоднородности кристаллического материала и его анизотропных свойств.

Возникновение искажений кристаллической решетки связано с отклонением атомов от положения равновесия, причиной которых являются главным образом дислокации и внедренные атомы. Распределение искажений, вызванных присутствием в решетке растворенных атомов, и различного рода несовершенств структуры при низких температурах остается постоянным.

Образование остаточных напряжений после механической обработки

Значительные остаточные напряжения могут возникать после механической обработки (точения, фрезерования, шлифования и др.). Особенность этих остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых долей миллиметра. Возникновение остаточных напряжений связано с пластической деформацией при воздействии режущего инструмента и нагреванием поверхностных слоев выделяющейся теплотой резания. При силовом воздействии инструмента возникает пластическая деформация растяжения, и после снятия этого воздействия в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия.

Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, а следовательно, обусловливает рост удельного объема, достигающего 0,3-0,8% удельного объема до пластической деформации. Это увеличение объема распространяется на глубину проникновения пластической деформации. Увеличению объема пластически деформированного металла препятствуют нижележащие слои. В результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях – растягивающие остаточные напряжения.

Кроме того, режущий инструмент вытягивает кристаллические зерна слоя металла под режущим клином в направлении резания. Этому способствует трение на задней поверхности инструмента. После прекращения резания и удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои, связанные как единое целое с нижележащими слоями, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения. В направлении подачи протекают аналогичные процессы, вызывающие возникновение осевых остаточных напряжений.

Выделение тепла в процессе резания (вследствие работы деформации и трения) приводит к большим температурным градиентам и температурным напряжениям, которые могут превосходить предел текучести материала. После установления нормальной температуры в поверхностных слоях детали происходит деформация сжатия. Этому препятствуют нижележащие слои. В результате в поверхностных слоях появляются растягивающие остаточные напряжения, а в нижележащих – напряжения сжатия, уравновешивающие растягивающие напряжения.

Таким образом, два основных фактора при резании – силовой и температурный – действуют в противоположные стороны, что и объясняет существенную зависимость величины и знака остаточных напряжений от технологического режима обработки. При точении остаточные напряжения возникают под влиянием одной из указанных выше причин или в результате одновременного воздействия всех или части этих причин. Окончательная величина и знак остаточных напряжений после точения зависят от степени воздействия каждой из причин, участвующих в формировании напряжений.

Влияние скорости резания при точении проявляется в изменении теплового воздействия и в изменении продолжительности теплового и силового воздействия на металл инструмента. Поэтому повышение скорости резания при точении способствует появлению дополнительных растягивающих напряжений, которые увеличивают общую величину остаточных напряжений растяжения. При обработке малопластичных материалов, при которой формируются остаточные напряжения сжатия, повышение скорости резания приводит к уменьшению сжимающих и даже образованию растягивающих напряжений. При обработке пластичных материалов, воспринимающих закалку, увеличение количества теплоты в зоне резания, связанное с повышением скорости резания, может привести к закалке поверхностного слоя. Увеличение удельного объема металла поверхностного слоя при его закалке приводит к снижению остаточных напряжений растяжения, Формирующихся при малых скоростях, и превращению их в напряжения сжатия при обработке на больших скоростях резания. При точении закаленных материалов увеличение нагревания поверхностного слоя при увеличении скорости резания может вы звать отпуск. Вследствие отпуска происходят структурные изменения, связанные с уменьшением удельного объема металла, что приводит к снижению остаточных напряжений сжатия. Увеличение подачи при обработке пластичных сталей, например, жаропрочных, у которых формируются остаточные растягивающие напряжения, приводит к росту пластической деформации поверхностного слоя и соответствующему росту остаточных напряжений растяжения. При точении малопластичных материалов увеличение подачи вызывает увеличение остаточных напряжений сжатия, а при обработке малопластичных закаленных сталей – их снижение. Возрастанию остаточных напряжений сжатия при точении малопластичных сталей способствует также увеличение отрицательных значений передних углов резца.

Износ резца приводит к увеличению пластической деформации поверхностного слоя металла и глубины ее проникновения. Поэтому при точении пластичных материалов происходит увеличение остаточных напряжений растяжения, а при точении малопластичных материалов – увеличение сжимающих напряжений.

В процессе шлифования решающее влияние на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор. Поэтому в поверхностном слое в процессе шлифования возникают сжимающие температурные напряжения. Указанные напряжения превосходят предел текучести материала и вызывают пластическую деформацию сжатия. После окончания процесса шлифования и установления нормальной температуры эта деформация сохраняется, что приводит к растяжению поверхности со стороны внутренних слоев, т.е. к образованию растягивающих остаточных напряжений. Пластическая деформация, связанная с усилием резания, при шлифовании имеет второстепенное значение. Изменение условий шлифования, приводящее к повышению температуры резания, приводит к росту остаточных напряжений растяжения или снижению остаточных напряжений сжатия.

Методы контроля остаточных напряжений

При определении остаточных напряжений используется теория стержней, основанная на гипотезе плоских сечений. Остаточное напряженное состояние предполагается одноосным. Ниже приводится краткое описание различных методов определения остаточных напряжений.

Метод замера прогибов

В данном методе для определения остаточных напряжений используются стержни прямоугольного сечения, которые вырезаются из деталей сложной конфигурации. Остаточные напряжения в таких образцах действуют вдоль оси стержня, так как остаточные напряжения по боковым поверхностям после вырезки снимаются и остаточное напряженное состояние становится одноосным. При определении остаточных напряжений в стержне предполагают, что за исключением небольших областей у концов остаточные напряжения постоянны по длине стержня. В концевых областях остаточные напряжения постепенно уменьшаются, и на торцах стержня они становятся равными нулю. В концевых областях имеет место сложное напряженное состояние, что известно как краевой эффект.

Обычно протяжённость зоны краевого эффекта, как правило, не превышает высоты сечения h.

Для определения остаточных напряжений будем постепенно удалять слой материала, находящийся в зоне постоянных по длине стержня напряжений. Эти напряжения будем предполагать положительными (растягивающими).

Метод замера деформаций

Для измерения деформаций широко применяются проволочные тензорезисторы. Они используются также и при исследовании остаточных напряжений. Тензорезисторы в этом случае наклеены на грань стержня и защищены от стравливания. Расчетная зависимость получается так же, как и при замере прогибов.

Метод Давиденкова

Этот метод используется в том случае, когда исследуемая заготовка представляет собой тонкостенный цилиндр. Тонкостенными принято считать цилиндры, толщина стенки которых h мала по сравнению со средним радиусом R, т. е. при R/h>3.

Согласно методу Давиденкова, который был предложен в 1931 году, для определения остаточных напряжений вырезается достаточно длинный участок тонкостенного цилиндра, а затем производится его разрезка по образующей и последовательное снятие цилиндрических слоев. Снятие слоев металла производится травлением.

Метод Закса

Во многих случаях при определении остаточных напряжений могут рассматриваться полые или сплошные цилиндрические дета ли. Основная особенность цилиндрических деталей состоит в том, что, кроме окружных и радиальных остаточных напряжений, в них могут существовать осевые остаточные напряжения.

Для определения остаточных напряжений по методу Закса из детали вырезается цилиндрический образец и проводится его сверление.

1.5. Упрочнение при холодной деформации.

Упрочнение металла при холодной деформации (наклеп)


Е

сли дислокация подходит к границе двух зерен и не может выйти на поверхность, она застревает. Следующие дислокации, подходят к застрявшей дислокации, образуя скопление дислокаций вблизи границ зерен. Чем мельче зерна, тем больше поверхность их раздела, и тем выше уровень напряжений, необходимый для смещения дислокаций. Напряжения скапливаются у границ зерен, все больше заполняя решетку. Для дальнейшей деформации кристалла необходимо повысить внешнее усилие. При этом происходит прорыв дислокаций через препятствие, раздробление блоков, увеличение их границ, и тем самым больше мест скопления дислокаций. Упрочнение металла в результате скопления дислокаций на границах зерен и невозможности их перемещения называется наклепом металла при холодной деформации. В результате наклепа возрастает упругое искажение кристаллической решетки, увеличивается сопротивление деформации и уменьшается пластичность. Увеличение прочности особенно интенсивно происходит на начальных стадиях деформации (до 25%).

Для упрочнения металла в него вводят атомы другого металла (легируют), т.е. повышают количество дефектов кристаллической решетки.

Таким образом, с одной стороны дефекты ослабляют металл, а с другой – затрудняют движение дислокаций, что упрочняет металл.

Кроме увеличения количества дислокаций при холодной деформации происходит и изменение формы кристаллов. Зерна, имевшие до деформации произвольную ориентацию, после деформации вытягиваются в определенном направлении. Механические свойства металла становятся неодинаковыми в различных направлениях, т.е. материал становится анизотропным. Ориентация кристаллических решеток зерен в определенном направлении с появлением анизотропии свойств называется текстурой. Таким образом, наклеп сопровождается текстурой кристаллов.

Кроме увеличения прочностных свойств при наклепе увеличивается электрическое сопротивление (до 50%), уменьшается электропроводность, коррозионная стойкость и магнитная проницаемость металлов.

Изменение свойств наклепанного металла при нагреве


При нагревании металлов до сравнительно низких температур (~0.3Tпл.) в металлах происходит процесс возврата или отдыха, при котором наклепанный металл частично разупрочняется. В процессе возврата уменьшается количество точечных дефектов, предел текучести снижается на 30%. Изменение текстуры и величины зерна при этом не происходит.

При повышении температуры нагрева происходит рекристаллизация металла. Температура начала рекристаллизации зависит от степени предшествующей деформации: чем больше степень деформации (т.е. наклеп), и тем легче и при низких температурах протекает процесс рекристаллизации. Например, в железе, деформированном на 70%, рекристаллизация начинается при 4500С, а при деформации 5% - при 7000С. Но в основном, температура начала рекристаллизации составляет 0,4Тпл. Если дать рекристаллизации пройти до конца, то металл полностью разупрочняется, снимаются внутренние напряжения, все свойства возвращаются к ненаклепанному состоянию. Разупрочнение наклепанного металла объясняется устранением несовершенства кристаллической решетки, вызванного холодной деформацией, зарождаются и растут новые, недеформированные зерна.

Таким образом, конечный размер зерна и прочностные характеристики металла зависят от степени предшествующей деформации, температуры нагрева и времени выдержки материала при этой температуре.


На основании понятий наклепа и рекристаллизации Губкин С.И. предложил другую классификацию горячей и холодной обработки.

Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.

Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее меньше скорости деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения. Такая деформация происходит при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.

При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.

При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

По этой теории холодная и горячая деформации не связаны с нагревом, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.

1.6. Понятие напряжения текучести, степени деформации, кривые упрочнения

Предел текучести

Если охарактеризовать понятие предела текучести кратко, то в сопротивлении материалов пределом текучести называют напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация. Предел текучести относится к характеристикам прочности.

Текучесть - это макропластическая деформация с весьма малым упрочнением dτ/dγ.

Физический предел текучести - это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту площадку (рисунок), σТ=PТ/F0. Здесь PТ - это нагрузка предела текучести, а F0 - это первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Предел текучести устанавливает границу между упругой и упруго-пластической зонами деформирования. Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации.

Условный предел текучести

Условный предел текучести (он же технический предел текучести). Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести - напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определённого значения, установленного техническими условиями (большего, чем это установлено для предела упругости). Под условным пределом текучести обычно подразумевают такое напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%. Таким образом, обычно условный предел текучести при растяжении обозначается σ0,2.

Выделяют также условный предел текучести при изгибе и условный предел текучести при кручении.

Предел текучести металла

Характеристика, данная выше, справедлива в первую очередь для предела текучести металла. Предел текучести металла измеряется в кг/мм2 или Н/м2. На значение предела текучести металла влияют самые разные факторов, например: толщина образца, режим термообработки, наличие тех или иных примесей и легирующих элементов, микроструктура, тип и дефекты кристаллической решётки и др. Предел текучести металлов сильно меняется с изменением температуры.

Предел текучести стали

Предел текучести сталей в ГОСТах указывается с пометкой "не менее", единица измерения МПа. Приведём в качестве примера регламентируемые значения предела текучести σТ некоторых распространённых сталей.

Для сортового проката базового исполнения (ГОСТ 1050-88, сталь конструкционная углеродистая качественная) диаметром или толщиной до 80 мм справедливы следующие значения предела текучести сталей:

Предел текучести стали 20 (Ст20, 20) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 245 Н/мм2 или 25 кгс/мм2.

Предел текучести стали 30 (Ст30, 30) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 295 Н/мм2 или 30 кгс/мм2.

Предел текучести стали 45 (Ст45, 45) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 355 Н/мм2 или 36 кгс/мм2.

Для этих же сталей, изготавливаемых по согласованию потребителя с изготовителем, ГОСТ 1050-88 предусматривает иные характеристики. В частности, нормированный предел текучести сталей, определяемый на образцах, вырезанных из термически обработанных стальных заготовок указанного в заказе размера, будет иметь следующие значения:

Предел текучести стали 30 (Ст30, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм - не менее 400 Н/мм2 или 41 кгс/мм2; прокат размером от 16 до 40 мм - не менее 355 Н/мм2 или 36 кгс/мм2; прокат размером от 40 до 100 мм - не менее295 Н/мм2 или 30 кгс/мм2.

Предел текучести стали 45 (Ст45, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм - не менее 490 Н/мм2 или 50 кгс/мм2; прокат размером от 16 до 40 мм - не менее 430 Н/мм2 или 44 кгс/мм2; прокат размером от 40 до 100 мм - не менее 375 Н/мм2 или 38 кгс/мм2.

*Механические свойства стали 30 распространяются на прокат размером до 63 мм.

Предел текучести стали 40Х (Ст 40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543-71): для проката размером 25 мм после термообработки (закалка+отпуск) - предел текучести стали 40Х не менее 785 Н/мм2 или 80 кгс/мм2.

Предел текучести стали 09Г2С (ГОСТ 5520-79, лист, сталь 09Г2С конструкционная низколегированная для сварных конструкций, кремнемарганцовистая). Минимальное значение предела текучести стали 09Г2С для стального проката в зависимости от толщины листа меняется от 265 Н/мм2 (27 кгс/мм2) до 345 Н/мм2 (35 кгс/мм2). Для повышенных температур минимальное требуемое значение предела текучести стали 09Г2С составляет: для Т=250°C - 225 (23); для Т=300°C - 196 (20); Т=350°C - 176 (18); Т=400°C - 157 (16).

Предел текучести стали 3. Сталь 3 (углеродистая сталь обыкновенного качества, ГОСТ 380—2005) изготавливается следующих марок: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп. Предел текучести стали 3 регламентируется отдельно для каждой марки. Так, например, требования к пределу текучести Ст3кп, в зависимости от толщины проката, меняются от 195-235 Н/мм2 (не менее).

Предел текучести — механическое напряжение σт, отвечающее нижнему положению верхнего отклонения по площади неизвестной эпюры площадки текучести на диаграмме деформирования материала. В случае, если такая площадка отсутствует, что характерно, например, для хрупких тел, вместо σт используется условный предел текучести σ0,2, который соответствует напряжению, при котором остаточная (пластическая деформация) составляют 0,2 % от длины испытываемого образца.

Часто для данной механической характеристики дают формулировку «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация», не делая разницы с пределом упругости. В реальности значения предела текучести выше, чем предел упругости примерно на 5%.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5568. Фильтрация сигналов на фоне помех 153.5 KB
  Фильтрация сигналов на фоне помех. Задачи и методы фильтрации Электрическим фильтром называется пассивный четырехполюсник пропускающий электрические сигналы некоторой полосы частот без существенного ослабления или с усилением, а колебания вне это...
5569. Анализ параметрических цепей 149.5 KB
  Анализ параметрических цепей Общие понятия о параметрических цепях Электрические системы, в которых хотя бы один из параметров (R, L или C) является переменным во времени, называется цепями с переменными параметрами, называется цепями с переменны...
5570. Анализ нелинейных цепей 297 KB
  Анализ нелинейных цепей 1. Общие понятия об элементах нелинейных цепей Цепи, которые изучались ранее, относятся к классу линейных цепей. Параметры элементов этих цепей. Параметры элементов этих цепей - сопротивлений, индуктивностей, емкостей - не за...
5571. Основы цифровой обработки сигналов 497 KB
  Основы цифровой обработки сигналов 1.Основные понятия Под цифровой обработкой сигналов (ЦОС) понимают операции над дискретными во времени величинами (отсчетами сигналов). Дискретную величину, поступающую на вход устройства ЦОС в n-ый момент времени ...
5572. Влияние сезонных условий на процессы изменения качества автомобилей 1.97 MB
  Влияние сезонных условий на процессы изменения качества автомобилей Изложены результаты исследований, целью которых является разработка совокупности теоретических положений, позволяющих адекватно интерпретировать и моделировать процессы изменения...
5573. Линии влияния в многопролетных стержневых системах 177.5 KB
  Линии влияния в многопролетных стержневых системах Принципы построения линий влияния для стержневых систем общи. В основе установления закона изменения внутреннего усилия при различных положениях единичной силы лежит метод сечений. Сформулируем осно...
5574. Применение теоремы об изменении количества движения к исследованию движения механической энергии 88 KB
  Применение теоремы об изменении количества движения к исследованию движения механической энергии. Механическая система состоит из трех тел 1, 2, 3 с массами соответственно. На тело 1 наложены две связи. Опора A препятствует перемещению тела по...
5575. Изучение свойств внимания 44 KB
  Изучение свойств внимания. Цель работы: Измерить и дать качественную характеристику основным свойствам внимания: концентрации, устойчивости, объему, переключению. Материалы. Методики для исследования внимания: Теппинг-тест Корректурная проба (буквен...
5576. Расчет шарнирного узла механизма вантовой растяжки 116 KB
  Расчет шарнирного узла механизма вантовой растяжки. Исходные данные: Максимальная нагрузка Fmax=200 103H коэффициент ассиметрии цикла RF=0.8 соотношение длины и диаметра поверхности кольца l/d=0.7 соотношение длины и ширины прямоугольного сечения...