Для изучения природы пластической деформации с точки зре­ния различных направлений необходимо знать строение металлов. Как известно, материалы делятся на аморфные и кристалличе­ские. Самым простым механизмом пластической деформации обла­дают аморфные тела, так как их атомы находятся в беспорядочном состоянии и легко переходят из одних мест устойчивого равно­весия в другие в зависимости от направления поля напряжений. С. И. Губкин указывает, что аморфный механизм (диффузион­ная пластичность) пластической деформации заключается в асин­хронном последовательном перемещении атомов, особенность которого состоит в том, что отсутствует какая-либо упорядочен­ность в последовательности направленных перемещений, а сопро­тивление сдвигу зависит от скорости деформаций и гидростати­ческого давления (среднего напряжения). Как известно, все ме­таллы имеют кристаллическое строение, при котором атомы, рас­полагаясь в пространстве, занимают определенное, но для раз­личных металлов различное, положение с определенной закономерностью и периодичностью по прямым линиям и плоскостям. Обычно это - многогранник, повторяющийся много раз в трех кристаллографических направлениях. Наименьший многогранник называется элементарной ячейкой кристаллической решетки. Расстояние между атомами в ячейке кристаллической решетки измеряется в ангстремах (1 А = 1•10-7 мм).

Сочетание группы элементарных ячеек кристаллической ре­шетки в трехмерном направлении называется пространственной решеткой, а расстояния, повторяющиеся между элементарными ячейками кристаллической решетки, называются параметрами решетки. Добавив к параметрам решетки еще углы между направ­лениями этих параметров, можно геометрически построить эле­ментарную ячейку. Различают следующие типы элементарных решеток.

1. Кубическая объемно-центрированная решетка, у которой атомы расположены в углах куба и на диагоналях в центре куба с параметрами а0, b0, с0 и α0, β0, γ0 . В дальнейшем для краткости изложения опускаем слова «элементарная ячейка». Эта решетка в основном присуща таким металлам, как α- и β-железу, ванадию, вольфраму, литию, молибдену, хрому, танталу и др.

2. Кубическая гранецентрированная решетка, у которой ато­мы расположены в центре граней с параметрами аг, bг, сг и αг, βг, γг. Такую решетку в основном имеют алюминий, золото, γ-железо, медь, никель, платина, свинец, серебро и другие металлы.

3. Гексагональная решетка представляет собой шестигранную призму и характеризуется равенством двух линейных параме­тров (а = b) и неравенством третьего параметра с, а углы α = β = 90°, γ = 120°. Эта решетка присуща таким металлам, как бериллий, кадмий, кобальт, магний, α-титан, цинк, и др.

В указанных кристаллических решетках атомы располагаются в определенных кристаллографических плоскостях и имеют опре­деленное кристаллографическое направление. Установлено, что физические, химические и механические свойства веществ зависят от взаимодействия атомов друг с другом, их расположения и рас­стояния друг от друга. Такие различия по направлениям, харак­терные для кристаллического строения, называются анизотропией. Это явление имеет важное значение при холодной штамповке, особенно при гидровзрывной штамповке.

В связи с тем, что при затвер­девании (остывании) расплавлен­ного металла образуется множе­ство центров кристаллизации, застывший металл представляет собой собрание большого коли­чества кристаллов, или, как их называют, зерен. При этом нельзя смешивать понятия кристаллиты и кристаллы, так как в соседних кристаллитах могут быть совер­шенно различные кристаллографи­ческие направления. Как правило, зерна отделены друг от друга пограничным слоем, насыщенным примесями и неметаллическими включениями. Таким образом, собрание кристаллитов предста­вляет собой строение металла, называемое поликристалличе­ским.

В том случае, когда весь объем тела имеет постоянное направ­ление определенных кристаллографических плоскостей в про­странстве, в отличие от поликристалла, то такие тела называют монокристаллами, которые можно получить искусственно и на них изучать процесс пластической деформации.

Природа пластической деформации заключается в том, что под влиянием внешней силы происходит смещение атомов в положение устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышаю­щие расстояния между атомами. Механизм холодной пласти­ческой деформации монокристалла происходит сложными путями: основные из них - скольжение и двойникование.

Образно скольжение можно представить таким образом. Если взять стопку металлических монет и, прижав ее сверху пальцем, сдвинуть в сторону, то произойдет параллельное смещение монет по определенным параллельным плоскостям относительно друг друга и появятся как бы полосы скольжения, внутри которых не происходит никакой деформации. Расстояние между этими полосами скольжения получится Примерно 10 000 А, в то время как расстояние между соседними атомными плоскостями равно около 1 А. Кристаллографические плоскости, по которым происходит скольжение, имеют максимальное скопление атомов или максимальную плотность атомов; эти плоскости называются плоско­стями скольжения. Направление скольжения будет происходить в ту сторону, где межатомные расстояния будут минимальными; это направле­ние носит название направления скольжения.

Как правило, этот механизм пла­стической деформации, т. е. сколь­жение наступает в начальном периоде пластической деформации.

Вторым путем механизма пласти­ческой деформации является так на­зываемое двойникование. Сущность двойникования состоит в смещении кристаллографических плоскостей под углом α < 90° и пово­роте вдоль какой-то плоскости, называемой плоскостью двой­никования. Образно это можно себе представить, приложив решетку к зеркалу под каким-то углом. Схематично это изображено на рис. 1, где пунктиром показан результат двойникова­ния в результате деформации от усилий Р. Угол β равен 180 - 2α; сплошной жирной линией показана плоскость двойникования, пунктиром показан двойник, полученный в процессе пластиче­ской деформации, D - его элемент.

7.

Рис. 1. Схема механизма пластической деформации двойникованием

Двойникование, как правило, происходит в результате дина­мической деформации. Но в основном у пластически обрабатывае­мых металлов механизм деформации происходит за счет скольже­ния. В настоящее время механизм скольжения объясняется отно­сительным смещением части атомов по тем кристаллографи -

Ческйм плоскостям, в которых имеются в металле нарушения Пра­вильности кристаллического строения.

Специальные исследования показали, что реальные монокри­сталлы и зерна имеют мозаичное строение, представляющее собой блочное скопление. Размеры каждого из этих блоков примерно 100 - 10 000 А, и некоторые из них, называемые блоками мозаики, повернуты относительно друг друга на угол 10 - 20'.

В работах Д. Б. Гогоберидзе показано, что одним из меха­низмов пластической Деформации является поворот отдельных блоков мозаики относительно друг друга, называемый междублоч­ным сдвигом.

В 20-х гг. была высказана гипотеза (Я. И. Френкель, Дж. Тей­лор и др.), что пластическая деформация скольжением происходит главным образом вследствие отдельных нарушений правильнос­ти строения кристаллической решетки. Суть нарушений заклю­чается в том, что в отдельных участках кристаллической решет­ки атомы в недеформированном металле смещены из устойчивого положения в неустойчивое, имеющие минимум количества потен­циальной энергии.

При приложении деформирующих усилий смещение атомов происходит по тем плоскостям, где требуется минимум затрат энергии, т. е. по тем плоскостям, где имеется минимум потенциаль­ной энергии. Таким образом, каждый атом в неравновесной це­почке занимает равновесное положение.

Эта гипотеза, объясняющая процесс скольжения перемещением в плоскости скольжения отдельных несовершенств пространствен­ной решетки, называется гипотезой дислокаций. Гипотеза дисло­каций довольно четко объясняла значительную разницу между действительными и расчетными усилиями межатомных связей. Последние превышают первые во много раз.

В 50-х гг., когда появилась возможность в экспериментальных подтверждениях, эта гипотеза получила строго научный характер и является основной теорией, дающей близкое к действительности понятие о механизме пластической деформации. Существование дислокаций подтверждалось исследованиями с помощью ионного проектора, электронно-микроскопического исследования рентге­новской топографии, а также другими методами (в том числе косвенными).

В теории рассматривают различные типы дислокаций, основ­ными из них являются краевая и винтовая. В реальных монокри­сталлах краевая и винтовая дислокации часто встречаются одно­временно.

Краевой дислокацией называют такую дислокацию, которая возникает в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, при этом совершенно очевидно, что количество атомных плоско­стей по одной стороне плоскости больше, чем по другой.

Винтовая дислокация характеризуется тем, что кристалло­графические плоскости, перпендикулярные к плоскости скольжения, находятся в изогнутом положении, как бы претерпевая изгиб, т. е. атомы, смещенные из положения равновесия, распо­лагаются по винтовой линии.

Исходя из сущности краевой дислокации, можно построить схему (рис. 2.6) и дать определение некоторых элементов дисло­кации. Как видно из рисунка, в верхней части от плоскости сколь­жения Р появляется как бы добавочная плоскость S, усеянная атомами б', б", и отсутствуют атомы ниже плоскости скольжения Р. В теории дислокации приняты следующие наименования отдельных элементов, характеризующих систему дислокаций. Положи­тельной краевой дислокацией называют ту, у которой дополнительная плоскость S находится выше плоскости скольжения и обозначается знаком ┴. У отрицательной краевой дислокации, обозначаемой знаком ┬, дополнительная плоскость S находится ниже плоскости скольжения Р. Точки, расположенные на линии г - д, равно как и точку б, называют центрами дислокации, а ли­нию, проходящую через центры дислокации, в данном случае линию г - д, называют линией дислокации.

В связи с появлением дополнительной плоскости вызывается нарушение правильного взаимного расположения атомов, что соответствует минимуму потенциальной энергии. Вблизи линии дислокации нарушение правильности взаимного расположения атомов повышает потенциальную энергию участка кристалли­ческой решетки в районе линии дислокации, что вызывает воз­никновение силового поля с повышенным уровнем потенциальной энергии.

Рис. 2 Схема краевой дислокации

Краевая дислокация может перемещаться в направлении дей­ствия сдвигающих сил, в данном случае под действием касатель­ных напряжений τ (рис. 2). Это перемещение происходит на одно межатомное расстояние, т. е. центр дислокаций б переходит в по­ложение нового центра в. Следовательно, дополнительная пло­скость 5 занимает положение, соответствующее точкам в, в', в"… и максимальное межатомное расстояние образуется не между точками а и в, а между точками в и е. На рис. 2.6 отчетливо видно, что искажения межатомных расстояний быстро убывают по мере удаления от центра или линии дислокаций и что в районе положительных краевых дислокаций межатомные расстояния (например, а' - б', б' - в') меньше расстояний в идеальной решетке, а в районе отрицательных краевых дислокаций межатомные рас­стояния (например, а1, в1, а2, в2) больше, чем межатомные рас­стояния в идеальной решетке.

Это же положение сохраняется и при указанном выше эле­ментарном передвижении краевой дислокации. Таким образом, краевая дислокация переходит, как бы пробегая от одной стороны, монокристалла к другой (противоположной), в результате чего верхняя часть монокристалла смещается относительно нижней на одно межатомное расстояние. Такое перемещение атомов и есть начало пластической деформации, а так как дислокаций очень много в металле, то пластическая деформация приобретает ощу­тимые размеры. По данным А. Д. Манасевича, число дисло­каций по теоретическим подсчетам в металле в 1 см2 составляет 108, а в наклепанном металле до 1012.

В теории дислокаций различают движение и переползание дисло­кации. При краевой дислокации, как уже указывалось выше, дви­жение дислокации происходит в одной и той же плоскости сколь­жения, а переползание дислокации происходит в результате перехода (переползания) из одной плоскости скольжения в дру­гую, ей параллельную. При этом происходит диффузия переноса вещества из одной плоскости в другую, вследствие чего размеры дополнительной плоскости претерпевают изменения.

Как известно, диффузия активизируется при увеличении тем­пературы и переползание в связи с этим активизируется, в резуль­тате при определенных условиях направленная диффузия может вызвать пластическую деформацию или быть источником ее.

Переползание винтовой дислокации не предусматривает диф­фузионного процесса, так как она не имеет дополнительных атом­ных плоскостей и поэтому осуществляется сравнительно беспре­пятственно.

Для раскрытия механизма пластической деформации также необходимо раскрыть механизм возникновения дислокаций как несовершенств кристаллической решетки вещества.

Дислокации в реальных монокристаллах образуются главным образом в процессе кристаллизации, когда происходит в резуль­тате различных температурных полей различная ориентировка ветвей дендритов. Механизм возникновения дислокаций заклю­чается в срастании симметрично разориентированных частей двух соседних кристаллов.

Винтовая дислокация образуется при кристаллизации, глав­ным образом, в связи с наличием посторонних примесей или ато­мов дисперсного включения других металлов (другой кристалло­графической решетки), что искажает кристаллическую решетку основного металла-сплава и при этом дополнительные плоскости атомов не образуются.

В реальных поликристаллах механизм возникновения дисло­каций может быть результатом локальных затруднений движению дислокаций в процессе пластической деформации.

Дислокации характеризуются также и скоростью их движения, которая зависит от материала, действующих напряжений и тем -

Пературных условий. Некоторые авторы приводят формулы в виде экспоненциальной функции, определяющие скорость дви­жения дислокации и полученные на основании экспериментальных данных. Так, например

(1)

Где А - постоянная материала; Т - абсолютная температура опыта; τ - Действующее касательное напряжение; υдис - скорость движения дислока­ции; υ0-скорость звука в данном металле.

На основании этой фор­мулы при постоянной аб­солютной температуре, при которой проводился опыт, дается зависимость скоро­сти движения дислокации как функции от касательных напряжений

υдис = F (τ). (2)

В теории дислокаций подробно изучается вопрос взаимодействия. Силовые поля дислокаций могут не только взаимодей­ствовать с силовыми полями инородных атомов, но и между собой; разно­именные дислокации при­тягиваются друг к другу, а одноименные - отталки­ваются. Располагаясь в пересекающихся плоско­стях, дислокации взаимодействуют между собой; стремясь занять положение с тенденцией к уменьшению потенциальной энергии кристаллической решетки.

Если дислокации располагаются чрезвычайно плотно друг к другу, то это приводит к группированию их, и таким образом образуются новые пространственные сетки, затрудняющие дви­жение дислокаций. Чем меньше число дислокаций, тем больше повышается сопротивление пластическим деформациям. Это по­ложение подтверждается тем, что у полученных в естествен­ных или искусственных условиях нитевидных монокристал­лов («усов»), почти не имеющих дислокаций, сопротивление

Пластическим деформациям близко к теоретическому, рассчитан­ному из предположения об одновременном смещении атомов парал­лельных плоскостей.

Прочность монокристалла в зависимости от количества дисло­каций, т. е. от количества имеющихся в нем искажений кристал­лической решетки, характеризуется диаграммой, приведенной А. А. Бочваром. Рассматривая ее (рис. 3), можно прийти к следующему выводу: повышение прочности монокристалла относительно минимального его значе­ния можно получить увеличением иска­жений в кристаллической решетке - правая ветвь, или сведением этих иска­жений к минимуму - левая ветвь. Мак­симальное количество искажений в кристаллической решетке (по величине и количеству), приводящих к появле­нию наибольших трудностей смещения дислокаций, можно обеспечить леги­рованием металла определенными ком­понентами. Уменьшение дислокации до минимума достигается получением особо чистых металлов.

Некоторые авторы считают, что одним из важных меха­низмов пластической деформации, кроме описанных выше, яв­ляется межкристаллитная (межзеренная) деформация, другие основными процессами деформации считают процессы внутрикристаллитной деформации, к которым относят­ся изложенные выше механизмы пластической деформации. Нам пред­ставляется, что межкристаллитная деформация имеет очень важное зна­чение при определенных условиях (температура, скорость и пр.) и, главным образом, в случаях, когда межзеренное вещество имеет проч­ность значительно ниже, чем проч­ность кристалла.

8.

Рис. 3 Зависимость прочно­сти монокристалла от количества искажений решетки

Одним из видов механизма межкристаллитной деформации является такой, при котором нарушаемые связи между зернами не вос­станавливаются, и это приводит к охрупчиванию деформи­руемого металла. Поэтому, как правило, имеется частичное вос­становление связей «схватыванием». При этом, чем интенсивнее происходит восстановление нарушенных связей, тем пластич­ность процесса выше. Восстановление нарушенных связей может происходить за счет следующих факторов: образование проч­ностных связей между двумя свободными поверхностями различно ориентированных кристаллических решеток при температурах более низких, чем температура рекристаллизации металла, ре­шетки которого взаимодействуют; рекристаллизация при опре­деленных температурных градиентах; химические взаимодей­ствия для поликристаллов, состоящих из зерен различных фаз. Последний фактор А. А. Бочвар назвал растворноосадительным механизмом. При достаточно большой и сильно меняющейся с изменением температуры растворимости элементов смеси зерен двух различных фаз, благодаря местному повышению темпера­туры в процессе деформации, происходит взаимное растворение элементов смеси и обратное выделение их из растворов при охлаж­дении. В результате такого взаимодействия элементов смеси происходит «залечивание» субмикроскопических очагов разру­шения, вызванных перемещением зерен двух различных фаз отно­сительно друг друга. Таким образом, при залечивании пол­ностью или даже частично (но в значительной степени) межзеренные перемещения могут играть значительную роль в формоизме­нении тела.

Рассмотрим некоторые особенности межзеренной деформации поликристалла.

В зернах поликристалла с различно ориентированными пло­скостями скольжения будут различные величины упругой дефор­мации, которая является началом пластической деформации от­дельных зерен; при снятии нагрузки также будут возникать оста­точные напряжения между отдельными зернами поликристалла. Механизм возникновения этих остаточных напряжений можно представить себе следующим образом.

В зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей сколь­жения, называемых «слабыми» зернами, составляющая упругой деформации меньше, чем у «сильных» зерен с неблагоприятной ориентировкой плоскостей скольжения. Казалось бы, что при разгрузке «сильные» зерна должны изменяться по размерам больше чем «слабые», но вследствие их взаимосвязи деформации у тех и других одинаковые. Изменяются только напряжения, т. е. напряжения, действующие в «сильных» зернах, не падают до нуля, имея положительное значение, а напряжения в «слабых» зернах падают ниже нуля и имеют отрицательное значение по сравнению с напряжениями, существовавшими при нагружении. В результате того, что возникают остаточные напряжения между отдельными зернами поликристалла, и неодновременности вклю­чения зерен в пластическую деформацию появляются некоторые особенности деформации: нарушение линейной зависимости де­формаций от напряжений при нагружении выше предела пропор­циональности, упругое последействие, релаксация напряжений, упругий гистерезис, эффект Баушингера, наличие площадки те­кучести,

Остановимся кратко на каждой из приведенных особенностей деформации.

Так как при незначительном увеличении напряжения, кроме упругой, появляется пластическая деформация, нарушается про­порциональность, т. е. линейная зависимость между напряжением и деформацией. Таким образом, на диаграмме напряжение-де­формация образуется закругленный участок в сторону увеличе­ния деформации.

Поликристаллическое тело, находящееся под постоянной на­грузкой, не превышающей предел текучести, с течением времени получает дополнительную деформацию, а после снятия внешних сил имеет некоторую остаточную деформацию, которая также со временем значительно уменьшается и даже исчезает. Такое явле­ние в теории пластических деформаций называется упругим последействием. Объясняется это тем, что незначительные напря­жения, действующие в зернах с благоприятной ориентацией пло­скостей скольжения, с течением времени приводят к пробегам дислокаций, вызывающим элементы пластических деформаций «слабых» зерен, увеличению упругой деформации «сильных» зерен и, следовательно, к дополнительной деформации всего поли­кристаллического тела. В результате снятия ранее приложенных внешних сил упруго деформированные зерна, взаимодействуя со «слабыми» зернами, создадут остаточные напряжения обратного знака. В свою очередь, под действием остаточных напряжений в «слабых» зернах с течением времени за счет пробегов дислокаций возникнут пластические деформации обратного знака, что приве­дет к уменьшению остаточных напряжений или даже к их исчез­новению в объеме поликристаллического тела.

С течением времени необходимое для поддержания постоянной деформации поликристалла напряжение уменьшается; это явле­ние называется релаксацией напряжения.

Релаксация напряжения появляется в результате того, что в деформированных зернах, находящихся в плоскостях скольже­ния с правильной ориентировкой, происходит направленное дви­жение дислокаций, которое приводит к тому, что доля упругой деформации убывает. В связи с этим уменьшается величина на­пряжения, необходимого для поддержания постоянной деформа­ции, которая связана только с упругой деформацией.

Если нагрузить образец несколько выше предела пропор­циональности и затем разгрузить, то заметим на диаграмме уси­лия - деформация, что линия нагружения не совпадает с ли­нией разгрузки и при этом образуется своего рода петля. Эта петля получила название петли упругого гистерезиса.

Явление упругого гистерезиса объясняется тем, что при нагружении образца выше предела пропорциональности появляется пластическая деформация в зернах с благоприятной ориентиров­кой плоскостей скольжения, поэтому учитывается прирост де­формации образца при том же увеличении напряжения по сравнению с линейной зависимостью. Разгрузив образец, уменьшим тем самым деформацию «сильных» зерен, что снимет упругую дефор­мацию «слабых» зерен и создаст в них упругую деформацию обрат­ного знака, которая при определенных условиях перейдет в пла­стическую деформацию. Таким образом, в конечной стадии раз­грузки по мере уменьшения деформирующих сил интенсивность убывания деформации возрастает по сравнению с линейной за­висимостью.

Петля гистерезиса характеризует работу, затраченную в про­цессе деформации на выделение тепла.

При релаксации напряжений каждый цикл последовательных нагружений и разгружений растягиваемого образца до напряже­ний, близких к пределу текучести, дает приращение пластической деформации.

Еще одной из особенностей описываемых деформаций является эффект Баушингера. Он характеризуется тем, что образец, пред­варительно деформированный выше предела текучести, при после­дующей деформации обратного знака имеет уменьшенное сопротив­ление деформированию, т. е. уменьшаются пределы пропорцио­нальности, текучести, упругости. Это явление объясняется тем, что зерна с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения за счет снятия упругой деформации в соседних зер­нах получат упругие деформации обратного знака; поэтому по­требуется меньшее увеличение напряжения (при деформации обрат­ного знака) для появления в этих зернах пластических деформаций. На диаграмме растяжения наблюдаем горизонтальную линию, показывающую, что деформация образца происходит без увели­чения напряжения. Эту горизонтальную составляющую диаграммы называют площадкой текучести. Напряжение, соответствующее площадке текучести, является физическим пределом текучести σт (в отличие от условного предела текучести σ02). Это явление объяс­няется тем, что если дислокации окружены множеством атомов различных примесей, увеличивающих напряжения, необходимые для начала движения дислокаций, то с развитием пластической деформации, когда дислокации выйдут из окружения атомов при­месей, последующая деформация потребует меньшие напряжения. Существенное уменьшение сопротивления деформированию при­водит к локализации пластических деформаций вблизи зерен с наи­более благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения, а возрастающая при этом ориентация напряжений способствует распространению пластических деформаций от этих локальных участков. В результате в образце образуются зоны сосредоточен­ной пластической деформации. По мере увеличения деформации эти зоны увеличиваются и сливаются, охватывая весь объем тела при деформациях больших, чем максимальная деформация, соответствующая текучести.

Обобщая все изложенное выше, можно сказать, что пластиче­ская деформация представляет собой механические и кристалле -

Графические явления, а также физические изменения, происхо­дящие в деформируемом теле под действием приложенных сил. С. И. Губкин, определяя сущность пластической деформации, указывает: «пластическая деформация представляет собой в об­щем случае сложный физико-химический процесс, сопровождае­мый структурными изменениями и изменением физических и физико-химических свойств деформируемого тела».