Пластическая деформация и рекристаллизация металлов реферат

Обновлено: 02.07.2024

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую)
Пластическая деформация остается после снятия внешней нагрузке, (тело не восстанавливает первоначальную форму и размеры).
Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояние, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

Содержание

Пластическая деформация металлов 3
Сущность холодной и горячей обработки металлов давлением 4
Способы обработки металлов давлением 6
Прокатка 7
Волочение 8
Прессование 10
Ковка 12
Практическое задание 14
ЛИТЕРАТУРА 15

Работа состоит из 1 файл

материаловедение.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра материаловедения

Реферат на тему:

Студент группы 08 МтМ

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую)

Пластическая деформация остается после снятия внешней нагрузке, (тело не восстанавливает первоначальную форму и размеры).

Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояние, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет важное практическое значение, т.к. все процессы обработки металлов давлением основаны на пластическом деформировании заготовок.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начинаться разрушение металла.

При пластической деформации изменяется не только форма, но и свойства деформируемого металла. В реальном поликристаллическом металле происходит изменение форм зерен (кристаллитов) дробление отдельных зерен, а также ориентация их определенных кристаллографических осей в направлении течения металла. Преимущественная ориентация зерен называется текстурой. Текстура металлов обусловливает анизотропию их механических, магнитных и электрических свойств. В общем случае анизотропия свойств металла отрицательно сказывается при дальнейшей его обработки и эксплуатации изделий. В некоторых случаях специально стремятся создать максимально текстурованный в определенных направлениях для повышения механической прочности или магнитно-электрических свойств.

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, а характеристики снижаются. Металл становится более твердым, но мене пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличение искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопление дислокаций у границы зерен).

Изменение, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла не обратимы. Они могут быть устранены, например с помощью термической обработки (отжигом).

В этом случае происходит перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивается подвижность атомов и в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новый зерна заменяющие собой вытянутые “деформированные зерна”.

Явление зарождения и роста, новых равнооснах зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуре плавления металла. Горячая обработка металлов металлов давлением производится при температурах, значительно превышающих температуру их рекристаллизации, когда скорость процесса упрочнения, вызванного деформацией. При этом микроструктура металла после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения. Зерна в металле получаются тем мельче, чем больше степень деформации.

Перед горячей обработкой давлением металлы и стали нагревают до определенной температуры (начало горячей обработки давлением) для повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформации. Однако в процессе обработки температура металла понижается. Минимальная температура, при которой можно производить обработку, называется температурой окончания обработки давлением. Область температуры между началом и окончанием, в которой металл или сплав обладает наилучшей пластичностью, наименьшей склонностью к росту зерна и минимальным сопротивлением деформированию, называют температурным интервалов горячей обработки давлением.

При этом температура нагрева металла выбирается такой, чтобы не возник, пережег либо перегрев. Пережег, характеризуется окислением металла на границе зерен, в результате чего он становится хрупким и при ударе разрушается. Перегрев сопровождается резким ростом размеров зерен, вследствие чего ухудшаются механические свойства.

Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Например, алюминиевый сплав АК4 – 470-350С; медный сплав БрАЖМц – 900-750С; титановый сплав Вт8 -1100-900С; сталь 45 – 1200-750С.

Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до требуемой температуры. Нагрев осуществляется в различных печах и нагревательных устройствах. Выбор способа нагрева заготовок определяется технико-экономических соображениями.

Обработка металлов давлением дает возможность получить изделие, которое получает окончательную форму после дополнительной обработки, или готовое изделие, не нуждающееся в дальнейшем изменении размеров. Обработка давлением обеспечивает массовое производство деталей одинакового размера с минимальными затратами времени и труда. Этот вид обработки имеет ряд существенных преимуществ перед другими способами в отношении производительности и экономии металла, поскольку в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла, заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т.д.) при наименьшей их массе.

К примеру: при обработке резанием за один час работы револьверного станка можно получить 20 болтов (без резьбы) диаметром 12 мм и длиной 25 мм, на четырехшпиндельном автомате можно получить 80 таких же станков. Болтовысадочная ковочная машина за час дает 4200 штук таких же болтов.

При современных методах холодной штамповки, чеканки, калибровки, а также холодной высадке можно получить заготовки, почти не требующие обработки резаньем.

К основным способам обработки металлов давлением относятся процессы прокатки, волочения, прессования (выдавливания), свободной ковки, горячей и холодной объемной штамповки, а также листовой или холодной штамповки.

Сущность процесса прокатки (рис. 1) заключается в деформировании (обжатии) металла между вращающимися валками, зазор между которыми меньше толщины обжимаемой заготовки.

В результате обжатия поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличивается. Деформацию заготовки обычно определяют относительным обжатием, % :

где - высота заготовки.

Практика производится гладкими цилиндрическими волоками и волоками, имеющими на своей поверхности особые проточки, называемые ручьями. При плотном соприкосновении волоков их ручьи образуют закрытые контуры, называемые калибрами. Комплект практичных волоков со станиной называют рабочей клетью.

Практика гладкими волоками дает листы и ленты, а ручьевыми волоками – различные прокатные профили.

Обычно относительное обжатие заготовки за один проход не превышает даже для горячего металла 70 – 30 %, поэтому окончательный профиль продукта получается многократным процессом повторения обработки заготовки при постепенном уменьшении зазора между волоками. При каждом пропуске заготовки площадь её поперечного сечения уменьшается, а форма и размеры постепенно приближаются к требуемым.

При горячей прокатке стали гладкими волоками угол захвата равен 15-24°, при холодной – 3-8°, сортового металла 25-27°.

Технологический процесс современного прокатного производства, не зависимо от вида получаемой продукции, состоит из нескольких этапов: подготовки исходного материала, нагрев его (в случае горячей прокатки), прокатки и отделки. Кроме того, на всех стадиях прокатки осуществляется контроль за ходом процесса и состоянием оборудования.

При волочении (рис. 2) заготовку протягивают через постепенно сужающееся отверстие в инструменте, называемое волокой. При этом сечение отверстия меньше исходного сечения заготовки.

Рис. 2. Волочение

В результате волочения поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина увеличивается.

Процесс волочения осуществляется в холодном состоянии и используется для получения тонкой проволоки (от 0.002 до 5 мм), калиброванных продуктов различного профиля и тонкостенных труб. При это получают изделие точных размеров, заданной геометрической формы, с чистой и гладкой поверхностью.

Заготовками могут служить прокат (катаная проволока, прутки, трубы), а так же прессованные профили (прутки, трубы). Окончательные размеры изделий обеспечиваются протягиванием (волочением заготовки) через несколько последовательно расположенных волок, так как степень обжатия материала за один проход сравнительно не велика. Волока (фильер, глазок) изготавливаются из инструментальной стали (У7, У12, Х12М), металлокерамических сплавов (ВК3, ВК6) или технического алмаза.

Технологический процесс волочения состоит из 3 основных стадий:

1. подготовка металла (очистка от окалины, смазывания, заделка концов);

2. волочение по определенному режиму;

3. отделки (удаление дефектов, правка, разрезание на мерные длины, маркировка, консервационное смазывание и пр.).

Рис. 3. Примеры профилей, получаемых волочением и т. д.

Прессование – это процесс выдавливания металла, заключенного в замкнутой плоскости контейнера, через отверстие матрицы, сечение которого меньше площади сечения контейнера, а форма соответствует форме готового изделия (рис. 4).

Рис. 4. Схема прессования полого профиля. 1 – пуансон; 2 – металл заготовки; 3 – матрица; 4 – игла; 5 – пресс- шайба;

Процесс прессования осуществляется при температурах горячей обработки металлов давлением, т.е. при их высокой пластичности.

Прессованию подвергают алюминий, медь и сплавы на их основе, цинк, олово, свинец. Прессованием получают разнообразные профили (см. рис.) из специальных сталей, титановых сплавов и других малопластичных металлов; профили сложной формы, которые не могут быть получены другим способом; обычные профили небольших размеров (например, трубы из цветных металлов).

При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию и поэтому имеет весьма высокую пластичность.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

по дисциплине Металловедение

"Пластическая деформация и рекристаллизация металлов и сплавов"

Пластическая деформация и рекристаллизация металлов и сплавов

1. Механизм пластической деформации

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. В обоих случаях пластическая деформация связана с определенными плоскостями и направлениями в решетке.

Фактически пластическая деформация осуществляется за счет перемещения дислокаций. Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод; что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение первичных дислокаций вызывает появление большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации (рис.2).

Рисунок 2. Механизм образования дислокации в процессе пластической деформации

Рисунок 3. Прочность кристаллов в зависимости от искажений решетки (числа дефектов):

1 - теоретическая прочность;

2 - чистые неупрочненные металлы;

3 - сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической и термомеханической обработкой.

Способность реального металла пластически деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это свойство используют при различных технологических процессах - при протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т.д. Большое значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из металла. Опыт показывает, что если металл находится в хрупком состоянии, т.е. если его способность к пластическому деформированию низка, то он в изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие.

2. Наклеп

В процессе деформации пара движущихся дислокаций порождает сотни и сотни новых, в результате этого плотность дислокаций повышается, что и приводит к упрочнению (повышению предела прочности) - рис.4.

Рисунок 4. Изменение прочности в зависимости от плотности дислокаций (высокопрочная сталь)

Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой.

Пластическая деформация вносит существенные изменения в строение металла. Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой.

Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации (рис.5).

С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, т.е. все зерна оказываются одинаково ориентированными.

Не следует думать, что в результате деформации зерно измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.

Рисунок 8. Дислокационное строение малоугловой границы

Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности.

Рекристаллизация. Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превосходит определенную минимальную величину, которая называется критической степенью деформации ( - относительное обжатие, где H₀ - начальная высота заготовки, h - высота заготовки после обжатия). Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2 - 8%); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди - к 5%.

Существует также температурный порог рекристаллизации - это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температурный порог рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла:

Значение коэффициента а зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты а = 0,3 - 0,4 и понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей может понизить а до 0,1 - 0,2. Для твердых растворов а = 0,5 - 0,6, а при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 - 0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100° С, 270° С и 450° С.

Рекристаллизация состоит из зарождения новых зерен и их последующего постепенного роста. Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке.

Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном поглощении новыми зернами старых деформированных зерен.

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Собирательная рекристаллизация не связана с предварительной пластической деформацией металла. Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная протяженность границ).

Рост зерен происходит путем перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела, одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем исчезают, а другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна (рис.9).

Цель работы: изучение изменения формы, размеров зерен и твердости металла, подвергнутого холодному пластическому деформированию и рекристаллизационному отжигу.
Теоретическая часть: Металлические изделия могут быть получены следующими способами: литьем, обработкой давлением (прокатка, прессование, волочевание и т.д), методами порошковой металлургии, резанием и сваркой. Из названных способов в настоящее время наиболее распространена обработка давлением, при которой форма изделиям придается путем пластического деформирования метала. При этом изменяются внутреннее строение(структура) металла и его свойства.

Вложенные файлы: 1 файл

moya_laba_3.docx

Министерству образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Кафедра “Материаловедения и машиностроения”

Отчет по лабораторной работе №3
на тему: Пластическая деформация и рекристаллизация металла

Руководитель: старший преподаватель
Вейник В. А.

Исполнитель: студентка группы 10113113

Цель работы: изучение изменения формы, размеров зерен и твердости металла, подвергнутого холодному пластическому деформированию и рекристаллизационному отжигу.

Теоретическая часть: Металлические изделия могут быть получены следующими способами: литьем, обработкой давлением (прокатка, прессование, волочевание и т.д), методами порошковой металлургии, резанием и сваркой. Из названных способов в настоящее время наиболее распространена обработка давлением, при которой форма изделиям придается путем пластического деформирования метала. При этом изменяются внутреннее строение(структура) металла и его свойства.

Металл подвергнутый действию внешних сил, деформируется сначала упруго, а затем пластически. В последнем случае в нем возникают необратимые внутренние изменения.

Явления, возникающие в металле при пластической деформации, многообразны. На всех стадиях его деформирования наблюдается остаточное смещение атомов от своих равновесных положений в кристаллической решетке. Это ведет к неупорядоченному изменению ее параметра, т.е ее искажению.

Вакансия и дислоцированный атом являются точечными дефектами кристаллического строения металлов, вокруг которых решетка искажаетс.

Помимо точечных дефектов при пластической деформации создаются линейные дефекты – дислокации.

В процессе развития пластической деформации в результате скольжения изменяется форма зерен. Они могут поворачиваться относительно руг друга и получать определенную ориентацию. По отношению к направлению действующей на металл силы зерна поворачиваются, создавая наибольшее сопротивление деформированию и вытягиваясь при этом вдоль направления приложенной нагрузки ( при растяжении) или перпендикулярно к ней ( при сжатии). Металл приобретает как бы волокнистую структуру. Возникшая ориентация вытянутых зерен называется текстурой.

По мере деформирования увеличивается число несовершенств, возрастает протяженность граничных зон зерен при их дроблении, что сопровждается упрочнением деформируемого вещества. Это явление называется наклепом или нагартовкой.

Процессы, происходящие при нагреве упрочненного деформированием вещества, подразделяются на две стадии - возврат и рекристаллизацию. Первая включает отдых и полигонизацию, вторая первичную рекристаллизацию (рекристаллизацию обработки), собирательную и вторичную рекристаллизацию.

Отдых объединяет процессы, связанные с диффузионным перераспределением точечных дефектов( сток к границам и дислокациям) и их частичной аннигиляцией ( взаимное уничтожение) В результате в металле уменьшается концентрация точечных дефектов. Отдых при нагревах до (0,05…0,2)Т_пл где (Т_пл-температура плавления Металла)

Полигонизация- это процесс разделения деформированных зерен металла на полигоны (области с малой плотностью дислокаций). Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упругих искажений кристаллической решетки и более полному восстановлению кристаллической решетки и более полному восстановлению физических свойств металла. Вслед за возвратом протекает рекристаллизация, заключающаяся в зарождении и росте новых неискаженных равноосных зерен.

Зерна дробятся на участки с малоугловыми границами. При полигонизации все физические свойства полностью восстанавливаются. Механические свойства также начинают меняться - твердость и прочность уменьшаются на 5-15%, а пластичность возрастает на 10-30%. Пластичность восстанавливается в большей степени, чем прочность, но предел упругости возрастает.

При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает и в участках с максимальной плотностью дислокаций возникают зародыши новых зерен. Чем выше степень деформации, тем больше центров рекристаллизации.

Образование новых, равноосных зерен, вместо волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизацией обработки, или первичной рекристаллизацией. При повышении температуры происходит рост образовавшихся зерен. Эта стадия называется собирательной рекристаллизацией.

Температура рекристаллизации зависит от степени деформации (чем выше степень деформации, тем ниже температура рекристаллизации) и от времени отжига (чем продолжительнее отжиг, тем ниже температура рекристаллизации). Поэтому на практике для сравнения температуры рекристаллизации различных материалов принято понятие порога рекристаллизации (t_п.р.). Это наименьшая температура рекристаллизации сильно деформированного металла (e = 80%) в течение 2-3 часов.

Температурный порог рекристаллизации зависит от температуры плавления и определяется следующей формулой:

где Т_п.л. – температура плавления металла, о К; a - коэффициент.

Отжиг при температуре, превышающей температуру рекристаллизации на 100-200 о С, называется рекристаллизационным отжигом:

Пластическую деформацию разделяют на холодную и горячую. Холодная деформация – это деформация, которая происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации (t_п.р.). Горячая пластическая деформация – это деформация, которая осуществляется при температурах выше температуры рекристаллизации (t_п.р.).

Воснове пластического деформирования металлов лежит перемещение дислокаций практически при любых температурах и скоростях деформирования. Сущностью пластического деформирования является сдвиг в результате которого одна часть кристалла смещается по отношению к другой части. Для сдвига в идеальном кристалле, в котором все атомы на плоскости сдвига сразу перемещаются на одно межатомное расстояние, нужно,как показывают расчеты, касательное напряжение 0,1 G (G - модуль упругости сдвига). В реальных кристаллах сдвиг происходит при напряжениях всего 10 - 4 G, что в 1000 раз меньше теоретически необходимых. Это объясняется тем, что происходит за счет скольжения дислокаций и в нем участвует незначительная доля атомов, расположенных на плоскости сдвига (рис.1).
Имеется две разновидности сдвига:скольжение и двойникование. В обоих случаях пластическая деформация связана с определенными плоскостями и направлениями в решетке.
Фактически пластическая деформация осуществляется за счет перемещения дислокаций. Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод; что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. Большие деформации возможны тольковследствие того, что движение первичных дислокаций вызывает появление большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации (рис.2).

б)
Рисунок 1. Схема деформации: а) схема пластического сдвига в идеальной кристаллической решетке; б) дислокационная схема пластического сдвига

Однако, оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокацийтолько вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинает возрастать. Такого рода зависимость между реальной прочностью и плотностью дислокаций (и других несовершенств) схематически представлена на рис.3. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другудислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная прочность металла повысится.
Следовательно, в той или иной степени наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно придающей способность пластически деформироваться.

Рисунок 2. Механизмобразования дислокации в процессе пластической деформации

Рисунок 3. Прочность кристаллов в зависимости от искажений решетки (числа дефектов):
1 - теоретическая прочность;
2 - чистые неупрочненные металлы;
3 - сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической и термомеханической обработкой.

Способность реального металла пластически деформироваться является его важнейшим и полезнейшимсвойством. Это свойство используют при различных технологических процессах - при протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т.д. Большое значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из металла. Опыт показывает, что если металл находится в хрупком состоянии, т.е. если его способность к пластическомудеформированию низка, то он в изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие.

Пластическая деформация – эффективный инструмент формирования структуры различных материалов. На ее особенностях основаны технологии обработки давлением, придание материалам особых свойств, создание наноматериалов.

Понятие деформации

внешними силами;
усадкой;
структурными превращениями;
внутренними физико-механическими процессами.

Примеры прилагаемых к телу нагрузок:

сжатие – нагрузка прикладывается соосно по направлению к телу;
растяжение – возникает при продольном от тела приложении нагрузки (соосно или параллельно плоскости, в которой находятся точки крепления тела);
изгиб – нарушение прямолинейности главной оси тела;
кручение – возникает при приложении к телу крутящего момента.

Механизм и виды деформирования изучаются материаловедением, физикой твердого тела, кристаллографией.

Твердые тела подвержены двум видам деформации:

В таблице приведены сравнительные характеристики этих явлений.

· в структуре возникают остаточные изменения;

Пластическое деформирование ведет к модификациям в структурах металлов и их сплавов, а, следовательно, к изменениям их свойств.

Механизм возникновения

Возникновение пластической деформации обусловлено процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под воздействием касательных напряжений. Проявляется в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Этот процесс, в пределах кристалла, называется линейной дислокацией. Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности возникает ступенька, равная одному периоду решетки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Образуются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла. Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная теория основана на положениях:

последовательность распространения скольжения в плоскости сдвига;
место возникновения скольжения – это область нарушения кристаллической решетки, возникающая при нагружении кристалла.

Одно из свойств металла – теоретическая прочность. Ее используют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она определяется силами межатомных связей в кристаллических решетках и значительно превышает реальную. Так для железа прочность:

30 кг/мм — реальная;
1340 кг/мм — теоретическая.

Различие вызвано тем, что для движения дислокации разрушаются лишь связи между атомами, находящимися у края дислокации, а не все атомные связи. Для этого необходимы меньшие усилия.

Двойникование

Это процесс образования в кристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Двойникованием достигается незначительная степень деформации.

Двойниковые образования возникают по одному из двух механизмов:

являются зеркальной переориентацией структуры матрицы (материнского кристалла) в некоторой плоскости;
путем поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Двойникование свойственно кристаллам, имеющим решетки:

гексагональную (магний, цинк, титан, кадмий);
объемно-центрированную (железо, вольфрам, ванадий, молибден).

Склонность к нему повышается при увеличении скорости деформации и снижении температуры.

Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.

Межзеренное перемещение

Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия. Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться. Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.

Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:

пластичность выше в направлении, параллельном действию растягивающего усилия, чем в перпендикулярном направлении;
прочность имеет высокие показатели поперек приложению усилия, в продольном направлении – показатели ниже.

Эта разница свойств называется анизотропия

Виды пластической деформации

В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:

Одно из определяющих понятий — температура рекристаллизации. Она соответствует наименьшей температуре нагрева, при которой возможно возникновение новых зерен и определяется температурой плавления металла по формуле:

Холодная деформация. Наклеп

Холодная деформация проходит при температурах, ниже t_рек. В ее результате возникает искажение кристаллической структуры материала. Все зерна растягиваются в одном направлении. Растет прочность, а свойства пластичности снижаются. Это упрочнение называется наклеп (нагортовка). Он может быть:

полезным — наклепанный слой формируется специально, например в дробеметных машинах, накатыванием поверхностей роликами или шариками, чеканкой бойками, гидроабразивными методами;
неумышленным (вредным) – возникает при воздействии на металл существенных давлений со стороны обрабатывающего инструмента.

Причина наклепа заключается в развороте плоскостей скольжения и усилении искажений кристаллической решетки. Упрочненный, наклепанный металл быстро вступает в химические реакции, хорошо корродирует и склонен к коррозионному растрескиванию. Деформировать его затруднительно. Но наклеп повышает свойство сопротивления усталости.

В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.

Устранить изменения в структуре, которые появляются при холодной деформации, возможно термообработкой (отжигом).

При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.

Горячая деформация

Горячая деформация имеет такие характерные признаки:

Температура, выше t_рек.
Материал приобретает равноосную (рекристаллизованную) структуру.
Сопротивление материала деформированию ниже в десять раз, чем при холодной.
Отсутствует упрочнение.
Свойства пластичности более высокие, чем при холодной.

Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.

Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.

Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией. Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик. Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.

Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Интенсивная пластическая деформация

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

при относительно небольших температурах;
при повышенном давлении;
с высокими степенями деформации.

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

кручение (ИПДК);
разноканальное угловое прессование;
всесторонняя ковка;
мультиосевое деформирование;
знакопеременный изгиб;
аккумулированная прокатка.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования. Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.

Методы пластической деформации позволяют получать заготовки из стали, сплавов цветных металлов и других материалов (резина, керамика, пластмассы).

Они высокопроизводительные, позволяют обеспечить требуемое качество получаемых изделий, улучшить их механические свойства.

Читайте также: