5.2. Контроль механических свойств изделий, упрочняемых холодной пластической деформацией

Влияние деформации на структуру и свойства металлов. Для металлов характерна металлическая связь, когда в узлах кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации. Поэтому, если внутри материала есть дефект или форма детали такова, что имеются концентраторы напряжений, то в этих местах напряжения достигают большой величины и может возникнуть трещина. Но так как пластичность металла высока, то в этом месте, в том числе в устье трещины, металл пластически продеформируется, упрочнится и процесс разрушения приостановится. Этими обстоятельствами и обусловлено то, что металлы являются надежными конструкционными материалами.

У неметаллов не будет пластической деформации и самоупрочнения – произойдет разрушение, как только в устье дефекта напряжения превзойдут некоторую величину.

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. 2.40, упругая деформация характеризуется линией и её продолжением (пунктир). Выше точкинарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.

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.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается (сдвигается) по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место, т.е. деформация сохранится.

Пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение формы зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (или внутри зерен) могут возникать трещины.

Представленная на рис. 2.40 зависимость между приложенным напряжениеми вызванной им относительной деформациейхарактеризует механические свойства металлов: 1) наклон прямойпоказывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния; 2) тангенс угла наклона прямойпропорционален модулю упругости, который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию); 3) напряжениесоответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка; 4) в технических измерениях принята характеристика, именуемаяпределом текучести (напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины образца); 5) максимальное напряжениесоответствует максимальному напряжению, достигнутому при нагружении.

Рис. 2.40. Деформация в зависимости от напряжения

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 кривойпропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризуетвязкость металла.

Кривая деформации (рис. 2.40) в зависимости от многих факторов (природа испытуемого материала, напряженное состояние, скорость и температура испытания и др.) имеет разный вид и, анализируя её, можно получить много ценной информации. Некоторые типичные виды кривых деформации (для растяжения) представлены на рис. 2.41.

Рис. 2.41. Некоторые виды кривых напряжение – деформация

Для некоторых мягких металлов характерно наличие площадки (или зуба) текучести (рис. 2.41а). Различают физический (когда есть площадка) иусловный (когда её нет)предел текучести. Максимальное напряжение на кривой(рис. 2.40 и 2.41б) называетсявременным сопротивлением или чаще пределом прочности.

Всю кривую (рис. 2.41в) от доможно разделить на два участка, разделенные точкой, которая характеризует момент появления трещины, способной развиваться, что поведет к разрушению (разделению на две части) образца.

Так как площадь под кривой пропорциональна работе разрушения, то площадьравна работе, которая была необходима для зарождения трещины (работа зарождения трещины – ), а площадь- работе необходимой, чтобы распространить трещину на всё сечение (коротко –работа распространения трещины - ). Таким образом, вся затраченная работа.

В поведении металла после точки возможны два принципиально различных случая. Если после зарождения трещины её распространение требует некоторой работы, такое разрушение называется вязким (вязкое разрушение), характеризуемое определенным видом излома и тем, что (рис. 2.41г), если же в точке наблюдается срыв кривой, то, что характеризуетхрупкое разрушение (рис. 2.41д). Возможен и промежуточный случай – вначале вязкое, а потом хрупкое разрушение.

Упругая деформация – есть изменение расстояния между атомами под действием внешних сил. Поэтому напряжение – это изменение в межатомных расстояниях, которое может измеряться рентгеновскими методами. Очевидно, 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 Гука) и модуль касательной упругости (Юнга). В первом случае силы стремятся оторвать атомы друг от друга, во втором – сдвинуть. Модуль Гука враза больше модуля Юнга (). В частности, для железакгс/мм², а кгс/мм².

Значения модулей упругости определяются силами межатомного взаимодействия и являются константами материала. Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т.е. термическая обработка или другие способы изменения структуры металла практически не изменяют модуля упругости. Все остальные механические характеристики, кроме модуля упругости, являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от обработки (структуры) в весьма широких пределах.

Пластическое деформирование представляет собой процесс сдвига части кристалла по отношению к другой, который объясняется дислокационной теорией. На рис. 2.42 представлена схема процесса сдвига с участием дислокации. Дислокация (обозначаемая значком _┴) под действием силы 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 исчезнет, как это показано на рис. 2.42в. Описанный процесс происходит при значительно меньшем напряжении, чем одновременный сдвиг всех атомов и фактически только так и осуществляется пластическая деформация.

Рис. 20.3.

а б в

Рис. 2.42. 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.

Однако реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинать возрастать. 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.

Движущиеся дислокации порождают сотни и сотни новых, в результате плотность дислокаций повышается, что и приводит к упрочнению (повышению предела прочности).

Вернемся к рассмотрению зависимости между напряжением и деформацией (рис. 2.40). Если нагрузка не превысила точки (условный предел текучести), то после её устранения изменений в металле не произойдет, но если нагрузка превысила предел текучести и напряжения, например, были равны, то после снятия нагрузки останется деформация, равная. Если затем опять нагружать металл, то его способность к пластической деформации уменьшится, предел текучести повысится до значения ; т.е. чтобы вызвать пластическую деформацию, следует приложить большие напряжения. Это значит, что металл стал прочнее. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой.

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. При этом зерно не измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения. Такой характер пластического течения приводит к изменению внутризеренной структуры – дробятся блоки мозаики с одновременным увеличением степени их разориентировки. Возрастает величина внутренних напряжений, ограниченных (локализованных) малыми объемами. Все эти изменения приводят к тому, что с увеличением деформации уменьшается плотность металла. Уменьшение плотности при большой степени пластической деформации обусловлено образованием пор внутри и между зернами (так называемая деструкция).

Можно выделить следующие основные закономерности изменения структуры и механических свойств сталей при деформации.

При малых степенях пластической деформации в поликристаллических материалах происходит скольжение по нескольким системам, в особенности у границ зерен, что связано с воздействием на данный кристаллит соседних, произвольно ориентированных зерен. Происходит образование дефектов кристаллического строения (вакансий и, главным образом, дислокаций), устойчивых при данной температуре. С увеличением степени деформации до ~ (5-10) % дислокации связываются в сложные сетки. Начинает формироваться ячеистая структура. Границы ячеек образованы объемными скоплениями дислокаций. При больших степенях деформации (70%) плотность дислокаций резко возрастает, но скопление их в стенках сохраняется.

По мере развития деформации происходит поворот и изгиб отдельных зерен, приводящие к их вытягиванию в направлении деформирования. При этом размер зерна не меняется (площадь поперечного сечения сохраняется). Происходит изменение внутризеренной структуры - дробятся блоки мозаики, увеличивается степень их разориентировки, возрастает величина внутренних напряжений.

Интенсивность изменений формы и размеров различна в разных зернах, что определяется их углом ориентировки относительно внешних сил. Поэтому неизбежно возникновение градиента напряжений и деформаций между различными зернами поликристаллического образца, приводящего к появлению макронапряжений (или напряжений I рода). Холодная пластическая деформация приводит также к появлению текстуры, вид и степень совершенства которой зависят от типа решетки металла, от его структуры, химического состава и характера деформации. Рентгеновским способом слабая текстура улавливается при деформации на (5-10) %; максимальная четкость при ~ (70-90) %.

Упрочнение сталей, как и других металлов, обусловлено торможением дислокаций на различных искажениях в решетке металла (на атомах растворенных примесей, на частицах второй фазы, на других дислокациях и их группировках и т.д.). При увеличении степени пластической деформации общим для всех феррито-перлитных сталей является увеличение твердости, предела текучести и временного сопротивления разрыву, при одновременном снижении относительного удлинения и относительного сужения. Деформирование металла на (50-70) % вызывает увеличение твердости и временного сопротивления разрыву в 1,52,0 раза в зависимости от исходной структуры, химического состава и вида обработки давлением. Упрочнение феррито-перлитных сталей под действием холодной пластической деформации описывается выражением:

, (2.98)

где ,,,- константы материала (),- эффективная длина свободного пробега дислокаций,- относительное искажение решетки

(- параметр решетки), обусловленное внутренними микронапряжениями. Для поликристаллического железа и малоуглеродистой стали параметрможет совпадать с величиной ферритных зерен. В случае перлитной стали параметркоррелирует со средним расстоянием между пластинками перлита. Таким образом, в выражении учитывается напряженное состояние ферритной матрицы и дисперсность феррито-карбидной смеси.

Происходящее при деформации изменение макро- и микроструктуры сталей влияет на их магнитные свойства. Увеличение степени пластической деформации приводит к росту коэрцитивной силыпрактически всех феррито-перлитных сталей, причем наибольший относительный прирост величиныпри увеличениинаблюдается для малоуглеродистых сталей. Увеличениедо (30-50) % приводит к резкому уменьшению максимальной магнитной проницаемости, а при более высоких деформациях проницаемостьпрактически не меняется. Поле максимальной магнитной проницаемостиведет себя аналогично коэрцитивной силе.

Остаточная индукция уменьшается при увеличении деформации до (20-30) % , а при дальнейшем повышении степени деформации величинамонотонно возрастает. Наиболее типичные зависимости величин,иот степени деформации, определенные на стали с содержанием углерода 0,07 %, приведены на рис. 2.43.

Увеличение степени деформации от нуля до (80-85) % практически не влияет на намагниченность насыщения. В качестве параметра неразрушающего контроля степени пластической деформации и механических свойств конструкционных сталей с феррито-перлитной структурой широкое применение нашла коэрцитивная сила. Для сталей с

Рис. 2.43. Зависимость магнитных свойств стали с содержанием углерода