2. Упругая и пластическая деформация. Несовершенства решетки и прочность металлов

Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения.

На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 41), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением (штриховая линия).

Рис. 41. Изменение деформации в зависимости от напряжения

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

Выше было дано формальное определение упругой и пластической деформаций, но упругая и пластическая деформации имеют глубокое физическое различие.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой (см. рис. 17). Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микро-структурном исследовании, как это, например, показано на рис. 42.

Рис. 42. Изменение структуры железа при пластическом деформировании (Роаенгейн), : а - до деформирования; б — после деформирования

Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Представленная на рис. 41 зависимость между приложенным извне напряжением (а) и вызванной им относительной деформацией (е) характеризует механические свойства металлов:

наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризуют силы межатомного притяжения. Тангенс угла наклона прямой пропорционален модулю упругости , который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию напряжение соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А. В технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины — или другого размера — образца, изделия);

максимальное напряжение соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении.

Величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) — так называемое относительное удлинение (или относительное сужение характеризует пластичность металла; площадь под кривой пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

Рис. 43. Кривые напряжение—деформация

Кривая деформации (рис. 41) в зависимости от многих факторов (природа испытуемого материала, напряженное состояние, скорость и температура испытания и др.) имеет разный вид и, анализируя ее можно получить много ценной информации. Некоторые типичные виды кривых деформации (для растяжения) представлены на рис. 43.

Для некоторых мягких металлов характерно наличие площадки (и зуба) текучести (рис. 43, а). Различают физический (когда есть площадка) и условный (когда ее нет) предел текучести и их по-разному обозначают.

Появление местного сужения при растяжении образца (шейка) приводит к уменьшению условного напряжения — — начальная площадь поперечного сечения) — на рис. 43, б сплошная линия, но к росту действительного — поперечное сечение образца в данный момент) — на рис. 43, б штриховая линия. Максимальная точка на кривой называется временным сопротивлением или чаще теперь пределом прочности; обозначается через

Всю кривую можно разделить на два участка, разделенные точкой В (рис. 43, в) которая характеризует момент появления трещины, способной развиваться, что поведет к разрушению (разделению на две части) образца.

Площадь под кривой напряжение — деформация пропорциональна работе разрушения. Если из точки В (момент образования трещины) опустить вертикаль, то левая часть этой площади пропорциональна работе, которая была необходима для зарождения трещины (работа зарождения трещины ), а правая часть — работе, необходимой, чтобы распространить трещину на все сечение (коротко — работа распространения трещины ). Таким образом, вся работа затраченная .

В поведении металла после точки В возможны два принципиально различных случая. Если после зарождения трещины ее распространение требует некоторой работы, такое разрушение называется вязким (вязкое разрушение) у характеризуемое определенным видом излома (см. рис. , и тем, что (рис. 43, в). Если же в точке В наблюдается срыв кривой, то , что характеризует хрупкое разрушение (рис. 43, г и рис. 20, а, в). Возможен промежуточный случай — вначале вязкое, а потом хрупкое разрушение.

По диаграмме деформации определяют только прочностные характеристики: На этой диаграмме модуль нормальной упругости (тангенс наклона кривой значительно меньше действительного, так как диаграммный аппарат фиксирует и упругую деформацию частей машины. Чтобы определить модуль упругости, на испытуемый образец навешивают тензометры, позволяющие определить малые величины деформаций, и тем самым точно построить участок О А. Деформационные характеристики — 6 и по той же причине определяют также не по диаграмме, а измерением образца до и после испытания.

По ряду причин площадь под кривой (рис. 43, в) количественно не точно определяет работу разрушения и при испытаниях на растяжение ее не подсчитывают.

Работу разрушения, в том числе и ее составляющие (работу зарождения и распространения трещины), определяют испытанием на изгиб (обычно ударом надрезанных образцов), о чем будет сказано дальше.

Краткое описание методов механических испытаний будет приведено в отдельном параграфе этой главы.

Рассмотрим теперь, как осуществляется упругая и пластическая деформация (т. е. механизм упругой и пластической деформации).

Упругая деформация — есть изменение расстояния между атомами под действием внешних сил. Поэтому напряжение — есть изменение в межатомных расстояниях и может измеряться рентгеновскими методами. Очевидно, что если исключить причины, вызывающие смещение атомов, т. е. нагрузку, то они возвратятся на прежние места. Другими словами, упругая деформация не вызывает никаких последствий в материале. Чем меньшую деформацию вызывает напряжение, тем жестче материал. Следовательно, модуль упругости характеризует жесткость материала. Различают два вида модуля упругости: модуль нормальной упругости (модуль Юнга) и модуль касательной упругости (Гука). В первом случае силы стремятся оторвать атомы друг от друга, во втором — сдвинуть. Модуль Юнга в 2,5-3 раза больше модуля Гука В частности, для железа

Значения модулей упругости определяются силами межатомного взаимодействия и являются константами материала. Например, модуль нормальной упругости для алюминия для железа молибдена Наименее жестким материалом

является резина а наиболее жестким — алмаз Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая обработка или другие способы изменения структуры металла практически не изменяют модуля упругости 1.

Вместе с тем повышение температуры, изменяющее (увеличивающее) межатомные расстояния, изменяет (снижает) модуль упругости.

Рис. 44. Схема пластического сдвига в идеальной кристаллической решетке

Все остальные механические характеристики, кроме модуля упругости, являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от обработки (структуры) в весьма широких пределах, о чем подробно будет сказано ниже при рассмотрении свойств различных металлов.

Выше отмечалось, что пластическое деформирование представляет собой процесс сдвига части кристалла по отношению к другой.

Каков же механизм пластического сдвига?

Естественно предположить, что этот процесс протекает так, как показано на рис. 44, т. е. что все атомы части кристалла выше плоскости скольжения смещаются одновременно под действием силы Р и из положения а последовательно переходят в положения б и в.

Усилие которое надо приложить, чтобы осуществить такой сдвиг, можно теоретически подсчитать.

Такой расчет (в 20-х годах) был сделан Я. И. Френкелем, и выведенная им формула имеет вид

где — модуль сдвига; а — межатомное расстояние в направлении скольжения (А А на рис. 44); b — межплоскостное расстояние.

Для плотных металлических решеток дробь близка к единице. Отсюда теоретическое усилие (теоретическая прочность) для осуществления сдвига (пластической деформации) примерно в 6 раз меньше модуля сдвига. Часто теоретическую прочность принимают равной 1/10 модуля Юнга.

Для железа теоретический предел текучести должен быть равен 13000 МПа, тогда как в действительности для мягкого железа составляет примерно 150 МПа, т. е. в 100 раз меньше.

Это различие настолько значительно, что вначале уравнение Френкеля, как и представление о теоретической прочности, считались ошибочными. Для объяснения этого расхождения была разработана (Тэйлором и одновременно с ним Орованом и Полани) теория дислокаций.

Рис. 45. Линейный дефект в кристаллической решетке а — наблюдение на электронном микроскопе; б — рисованная структура

В I главе рассматривались дислокации как реально существующие дефекты в реальных кристаллах. В существовании дислокаций сейчас никто не сомневается, но в 30—50-х годах этот вопрос служил темой многочисленных дискуссий.

Итак, дислокации были вначале (20-е годы) придуманы (Я. И. Френкелем) для объяснения различия между теоретической и фактической прочностью металлов; в 50-е годы в связи с применением электронного микроскопа дислокации были обнаружены металлографически; так, например, на рис. 45 представлена, по-видимому, первая электронная фотография, где видна электроплоскость, край которой является дислокацией.

Чаще, правда, на электронном (и даже оптическом) микроскопе обнаруживают не саму дислокацию, а выход ее на поверхность в виде точки (черточки), окруженной (как говорят, декорированной) всевозможными дефектами и примесными атомами, и результате чего место выхода дислокации на поверхность шлифа растравливается (рис. 46).

Таким образом, металлографический метод подтвердил наличие дислокаций.

Теория дислокаций, объяснившая причину низкой прочности реальных металлов, достигла полного признания, когда удалось получить бездислокационные кристаллы, так называемые «усы».

Оказывается, что прочность таких бездислокационных кристаллов близка к теоретической.

Рассмотрим теперь другой, дислокационный механизм пластической деформации.

Упрощенная схема процесса сдвига с участием дислокации представлена на рис. 47.

Дислокация (обозначаемая значком под действием силы Р перемещается направо только вследствие того, что изменяется «соседство» атомов по обе стороны от плоскости . В конце концов дислокация выйдет на поверхность кристалла (границу зерна или блока мозаики) и исчезает, как это показано на рис. 47, в. Описанный процесс происходит гораздо легче, т. е. при значительно меньшем напряжении, чем одновременный сдвиг всех атомов (см. рис. 44) и фактически только так и осуществляется пластическая деформация.

Рис. 46. Скопление дислокаций у препятствия

Рис. 47. Дислокационная схема пластического сдвига

Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод, что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. В металле, в котором нет дислокаций, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла . В случае, если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только 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. 48. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная прочность металла повысится.

Рис. 48. Прочность кристаллов в завис нм ости от искажений решетки

Давно известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной плотности дислокаций; это — механический наклеп, измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и т. д. Кроме того, известные методы легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), создающие всякого рода несовершенства и искажения кристаллической решетки, также являются методами создания препятствий для свободного перемещения дислокаций (блокирования дислокаций). Сюда же относятся способы образования структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение и др. Об этих методах более подробно будет сказано ниже. Однако при всех этих способах упрочнения прочность не достигает теоретического значения. 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. Можно ли в связи с этим рассматривать способность металла к пластическому деформированию как его недостаток?

Опыт показывает, что 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.