Деформация – изменение размеров и формы материала под действием приложенных сил, которые могут быть как внешними, приложенными к телу, так и внутренними, вследствие физико-механических процессов в самом теле.
Деформации подразделяют на:
– упругие, исчезающие после снятия нагрузки;
– пластические, которые остаются после окончания действия приложенных сил.
Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью.
Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и устраняет влияние концентраторов напряжений.
Механизм пластического деформирования заключается в том,
при возрастании касательных напряжений в металле выше определенной величины деформация становится необратимой и после снятия нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, а пластическая составляющая остается, т.е. происходит сдвиг одной части металла относительно другой.
Сдвиг может осуществляться скольжением и двойникованием.
При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, которая называется плоскостью скольжения или сдвига.
Двойникование сводится к переориентировке части кристалла в положение, зеркально симметричное к его недеформированной части. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение и возникает в случае, когда скольжение затруднено.
Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов.
Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них может происходить по многим направлениям.
Металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой менее пластичны и труднее поддаются деформации.
Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Повышение плотности дислокаций до 1011…1012 см-2 вместо 106…108 см-2 до деформации приводит к упрочнению металлов при деформации.
С ростом степени деформации в результате процессов скольжения зерна вытягиваются в направлении приложенных сил, образуя волокнистую или слоистую структуру, при этом внутри самих зерен происходит дробление блоков. При этом возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен – текстура деформации
При холодном пластическом деформировании происходит увеличение прочностных характеристик сплава и уменьшению его пластичности и ударной вязкости. Это явление получило название наклепа. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.
В результате наклепа поверхностного слоя в нем возникают напряжения сжатия. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием мягких и пластичных сплавов.
Состояние деформированного (наклепанного) сплава термодинамически неустойчиво даже при комнатных температурах. При нагреве ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются благоприятные условия для
перераспределения дислокаций и уменьшения их количества. В процессе нагрева деформированного металла в нем протекают процессы рекристаллизации и при этом происходит возвращение всех свойств сплава к их значениям до деформации.
Рекристаллизация – это процесс зарождения и роста новых равноосных зерен, которые поглощают деформированные.
В зависимости от температуры нагрева рекристаллизация бывает:
– первичная;
–вторичная;
– собирательная.
При первичной рекристаллизации старые зерна наклепанного металла не восстанавливаются, а образуются новые зерна округлой формы вместо ориентированной структуры деформации (рис. 3.1, а,б, в). В результате рекристаллизации практически полностью снимается наклеп, свойства рекристаллизованного металла становятся сопоставимыми со свойствами отожженного.
Рис. 3.1. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:
а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г – рост зерен; д – образование равновесной структуры.
Температура рекристаллизации, при которой происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации (Т рек).
Т рек = α Т плавления,
где:
α - безразмерный коэффициент, учитывающий чистоту металла и степень деформации металла.
Для технически чистых металлов коэффициент α составляет порядка 0,3…0,4. У сплавов на основе твердых растворов α =0,5…0,6, а для многокомпонентных сплавов, упрочненных тугоплавкими частицами второй фазы, значения коэффициента α может достигать 0,7…0,8.
Собирательная рекристаллизация – рост одних рекристаллизованных зерен за счет других после завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева (рис. 3.1, г). Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела.
Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост одних зерен за счет других, в результате чего структура представляет собой смесь очень мелких и крупных зерен. Возникшая разнозернистость структуры отрицательно сказывается на всех механических свойствах металла.
Размер рекристаллизованного зерна оказывает большое влияние на свойства металлов и сплавов. С уменьшением размера зерна повышаются характеристики прочности и пластичности, увеличивается вязкость металла.