3.3. Локализация пластической деформации металлов
Промышленные металлы являются поликристальными телами. Это отражается на процессе их пластического формоизменения. Излишние допущения при рассмотрении поликристального металла, как тела квазиизотропного, могут привести к ошибочным выводам.
Основной особенностью пластической деформации металлов является ее неоднородность, сопровождаемая локализацией, т.е. сосредоточением пластической деформации в отдельных определенных местах очага течения.
Следует различать микролокализацию и макролокализацию. При микролизации наибольшее количество пластической деформации приходится на пачки плоскостей скольжения, что было отмечено многими исследователями. В пачках локализации пластической деформации возникают повреждения кристаллов, что и воспринимается как следы сдвига (скольжения).
Электоронно-микроскопическое исследование поверхности деформированного монокристалла алюминия показало, что следы скольжения имеют тонкую структуру. След скольжения представляет пачку, состоящую из четырех-пяти тонких, равноотстоящих друг от друга «линий». Расстояние между линиями примерно равно 200-250 А, а ширина каждой линии того же порядка, сами же следы скольжения находятся друг от друга на расстояниях порядка 0,25 МКМ. Некоторые исследователи в тоже время показали, что пластическая деформация происходит не только в следах скольжения, но распространяется на весь объем кристалла (рис. 3.19). Таким образом, даже в отдельных кристаллах отмечается неоднородная пластическая деформация, сопровождаемая ее локализацией. Макролокализация возникает главным образом благодаря влиянию внешнего трения (упорядоченная макролокализация). Например, в результате влияния внешнего трения возникают при осаживании общеизвестные «конусы скольжения», фактически представляющие области затрудненной деформации. Боковые поверхности этих конусов как раз и являются местами локализации пластической деформации. «Ковочный крест», возникающий при кузнечной вытяжке, так же является отображением мест макролокализации пластической деформации. Вызывать макролокализацию пластической деформации может не только внешнее трение, но и другие причины.
В первую очередь сюда следует отнести форму образца и вид нагружения. Например, при линейном растяжении гладких образцов возникает «шейка», являющаяся местом локализации пластической деформации. Линии Чернова так же отражают следы поверхности, в которых происходит макролокализация пластической деформации, начальный момент ее развития.
Главными причинами, вызывающими неоднородность пластической деформации, является:
микролокализация пластической деформации обусловленная характером сдвигового механизма;
микролокализация, вызванная внешним трением;
протекание в некоторых случаях пластической деформации при помощи нескольких различных механизмов, что также должно вести к неоднородности деформированного состояния;
физическая, химическая и механическая неоднородность кристаллических зерен, составляющих поликристалл;
неоднородное расположение примесей в поликристалле и их химическая неоднородность;
неоднородное распределение различного рода повреждений кристаллической структуры;
форма деформированного тела (только в очень ограничеснных случаях можно подобрать такую форму тела, которая обеспечивает однородную деформацию);
некоторые условия деформации (вид нагружения, геометрия деформирующего инструмента распределения температур в деформируемом теле, характер очага течения).
На неоднородность деформированного состояния влияет внешнее трение, форма деформируемого тела и деформирующего инструмента. В результате деформация локализуется в объеме тела в строго определенных направлениях. Последними являются направления максимальных касательных напряжений.
В областях локализации отмечаются: наиболее интенсивная пластическая деформация и максимальное проявление теплового эффекта, а, следовательно, набольший местный подъем температуры в процессе деформации.
В местах локализации пластическая деформации неоднородно, причем степень этой неоднородности больше, чем в других местах деформированного тела. Поэтому именно в местах локализации пластической деформации при соответствующих условиях появляются (в соответствии с законом дополнительных напряжений, который будет изложен далее) растягивающие напряжение значительной величины, структурные изменения протекают путем рекристаллизации и образуются новые фазы, если данный сплав при нагревании и охлаждении претерпевает фазовые превращения. Все эти явления оказывают существенное влияние на пластичность металла и на механические свойства деформированных изделий.
Если растягивающие напряжения в областях локализации будут достигать критических значений, соответствующих напряжению отрыва при данных температурно-скоростных условиях деформации, то здесь неизбежно появление ультра микротрещин и микротрещин, приводящих при определенных условиях к разрушению, а если оно и не произойдет, то возникшие микротрещины значительно снизят механические свойства изделий.
При определенной температуре в процессе пластической деформации в местах локализации происходят структурные изменения и могут протекать фазовые превращения, с образованием характерной прослойки именно в местах локализации деформации. Обнаружены подобные прослойки не только при обычном осаживании, но и при вдавливании пуансона в пластичное полупространство и при осаживании металла в закрытом ручье. Так как область локализации в закрытом ручье сужается, локализация здесь выражена более резко, чем при осаживании в открытом ручье (рис. 3.22). Если в широкой области локализации (при открытом осаживании) микротвердость снижается к краям прослойки более или менее постепенно, то, если есть узкие прослойки (осаживание в закрытом ручье), микротвердость изменяется резко (рис. 3.20). Кроме того, в широких прослойках между структурой прослойки и основной структурой металла наблюдается область промежуточных структур, чего нет при узких прослойках. В результате узкие прослойки в большей степени являются концентраторами растягивающих напряжений, чем широкие прослойки. При открытом осаживании образцов со структурой зернистого перлита локализация пластической деформации протекает менее интенсивно, в результате чего прослойка не возникает при тех же условиях, при которых она возникает для структуры пластинчатого перлита, что подтверждено экспериментально.
Наиболее значительный эффект повышения растягивающих напряжений произойдет в том случае, когда в местах локализации будут протекать структурные изменения и особенно фазовые превращения, обычно связанные с изменением объема.
Область локализации неоднородна как в отношении структуры, так и в отношении механических свойств. Действительно, при деформации ударом средне- и высокоуглеродистой стали в местах локализации возникает прослойка, структурой которой является скрытоигольчатый мартенсит. Такая же мартенситная неоднородная прослойка возникает и при ударной деформации при температуре 600 о.
Неоднородность прослойки должна вести к образованию растягивающих напряжений значительной величины. Если к этому добавить еще различие в удельных объемах прослойки и окружающей ее среды, то ясно, что растягивающие напряжения могут получить весьма большую величину, намного превосходящую то напряжение, которое необходимо для появления трещины. Опыты показывают, что прослойки как раз являются местами, где действительно зарождаются микротрещины (рис. 3.21).
В дальнейшем места локализации пластической деформации, в которых протекают те или иные структурные изменения или фазовые превращения, отличные от изменений в основной массе металла, будем называть прослойками локализации. Полоска, в которой протекает мартенситное превращение, – один из видов прослоек локализации.
Было уже упомянуто, что места локализации должны проявляться при любом процессе пластической деформации. Следовательно, и прослойка локализации возникает при любых процессах пластической деформации. Исследования показали, что именно в прослойках локализации пластическая деформация заканчивается разрушением.
При прокатке наблюдается та же картина, так как процесс из периодического становится регулярным (терминология Павлова). Однако макролокализация и здесь должна быть в поверхностях максимальных сдвигающих напряжений. Таким образом, при любом процессе пластической деформации в реальных условиях с наличием трения, локализация пластической деформации, по-видимому, неизбежна. Поэтому можно считать, что последняя присуща всем реальным процессам пластической деформации. При горячей деформации, несмотря на отсутствие в областях локализации фазовых превращений, здесь все же произойдут структурные изменения, в результате чего механические свойства этих областей будут отличны от свойств остальной массы деформирующего тела. Это приведет к появлению растягивающих напряжений, но в значительно меньшей степени, чем при протекании фазовых превращений.
Установлено, что увеличение скорости и понижение температуры деформации усиливают локализацию пластического процесса. Однако эквивалентность охрупчивающего действия повышенной скорости деформирования по сравнению с понижением температуры деформации наблюдается только для металлов, которые находятся в критическом интервале хладноломкости. Рекомендуется при изготовлении деталей методами листовой штамповки увеличить скорость вырубки с целью уменьшения глубины проникновения наклепанного слоя.
На основании изложенного можно сделать следующее заключение.
Характерной особенностью реального процесса пластической деформации является локализация ее в поверхностях максимальных касательных напряжений, где, согласно закону дополнительных напряжений, возникают растягивающие напряжения. Вблизи этих поверхностей независимо от способа деформирования происходят структурные изменения, а при определенных условиях – фазовые превращения, в результате чего образуются прослойки локализации. В этих прослойках при известных условиях получаются микротрещины, разрушающие металл.
Рис. 3.19. Электронная микрофотография структуры полоски
увеличено в 5000 раз
Рис. 3.20. Изменение микротвердости по ширине
прослойки локализации
Одним из наиболее часто встречающихся видов макролокализации пластической деформации, обусловленной контактным трением, являются так называемые конусы скольжения (или призмы скольжения). Конусы и призмы скольжения наблюдаются при различных способах осадки. По поводу образования конусов и призм скольжения и по поводу их природы имеются довольно противоречивые мнения. Между тем конусы и призмы скольжения представляют области затрудненной деформации, возникающие при осаживании в результате влияния контактного трения. Внешняя поверхность этих областей расположена на контактной поверхности, причем внешняя поверхность области затрудненной деформации или часть это поверхности образует зону прилипания. На внутренней поверхности области затрудненной деформации как раз и расположена прослойка макролокализации пластической деформации.