Теория обработки металлов давлением. Физические основы прочности и пластичности металлов

Колбасников Н.Г.

СПбГПУ, 2004 г.

1. Теоретическая прочность идеального кристалла определяется энергией связи атомов в кристаллической решетке - энергией электростатического взаимодействия ионов и электронов. Мерой этого взаимодействия является модуль упругости металла Е, который представляет собой напряжения, стягивающие ион в электрон в объеме этого взаимодействия. Помимо этого модуль упругости является коэффициентом, определяющим линейную корреляцию между напряжением и деформацией при упругой деформации растяжением.

2. Теоретическая прочность идеального кристалла значительно превосходит наблюдаемые на практике свойства реального металла. Высказано предположение, что различие свойств идеального и реального кристаллов объясняется присутствием дефектов кристаллического строения.

Итоги главы 2

1. Основными точечными дефектами кристаллического строения являются вакансии и примесные атомы. Образование этих дефектов сопровождается повышением энергии системы; точечные дефекты характеризуются энергией образования и создают собственные для напряжений.

2. Различают равновесные и неравновесные вакансии. Равновесные возникают в согласии с принципом минимума энергии, их концентрация экспоненциально зависит от температуры, обеспечивает минимум свободной энергии. Неравновесные вакансии возникают во время пластической деформации или термической обработки при распаде дислокационных структур; их концентрация может достигать долей и единиц процентов.

3. По повышенных температурах вакансии имеют тенденцию к объединению и образованию микропор.

4. Миграция вакансий определяет диффузионные процессы в металле - самодиффузию, трубочную диффузию, зернограничную диффузию.

5. Внедренные атомы, образующие гантельную или краудионную конфигурации, имеют небольшую концентрацию, во очень высокую подвижность.

Кроме этих двух методов разрабатывались и некоторые другие, например, рентгеновские. Они имеют еще больше недостатков и более узкий объем информации. Но применение нескольких методов исследования одновременно позволяет обычно получить достаточно полную информации о дислокационной структуре тела и кинетике ее развития. Методики наблюдения дислокации и других дефектов решетки быстро развиваются и совершенствуются.

Итоги главы 3.

1. дислокации - линейные дефекты кристаллического строения в основном определяют пластические и прочностные свойства металлов. Каждая дислокация создает собственное поле напряжений, обладает упругой энергией и способностью к размножению.

2. дислокации располагаются преимущественно в плоскостях с минимальными векторами Миллера. Перемещение дислокации в различных кристаллографических плоскостях имеет потенциальный барьер, характерный для каждой из плоскостей. Минимальные напряжения для перемещения дислокаций требуются для совокупности плоскостей с наиболее плотной упаковкой и наибольшим межплоскостным расстоянием. Эти плоскости называются плоскостями легкого сдвига.

При повышенных температурах возможен механизм перемещения дислокаций, связанный с термоактивированным образованием двойных перегибов на линии дислокации и расширением их на всю линию дислокации.

3. дислокации практически не обладают инерционностью и мгновенно ускоряются при повышении деформирующих напряжений. Максимальная скорость дислокаций приближается к скорости звука в металле.

4. Способность к размножению приводит к увеличению плотности дислокаций во время пластической деформации . Повышение плотности дислокаций приводит к повышению энергии системы, поскольку каждая дислокация обладает запасом упругой энергии и создает собственные поля напряжений.

5. При неизменной плотности дислокаций энергия деформированного металла зависит от типа дислокационной конфигурации, которые образуют дислокации (например, хаотическое распределение, дислокационные скопления или стенки), т.е. от типа дислокационной структуры.

Итоги главы 4

1. Основными плоскими дефектами кристаллического строения в металле являются межзеренные или межфазвые границы, а также поверхность тела, ограничивающая его от окружающей среды. Границы характеризуются энергией и полем собственных напряжений.

2. энергия и напряжения от границ, как правило, пропорциональны углам разориентации соседних зерен. Исключение составляют специальные границы, энергия которых значительно ниже, чем у обычных границ.

3. Общая протяженность границ в металле определяет средний размер зерна в металле. При пластической деформации могут возникать новые Границы за счет перестройки дислокаций. Таким образом, при пластической деформации размер зерна может уменьшаться.

4. Границы вносят основной вклад в формирование прочностных свойств металла в недеформированном состоянии. Мелкозернистый металл имеет более высокий предел текучести, чем крупнозернистый.

Итоги главы 5

1. По мере увеличения степени пластической деформации структура деформированного металла становится более сложной - плотность дислокаций увеличивается, дислокации выстраиваются в конфигурации, которые называются «дислокациями леса», сплетениями, клубками, жгутами. Вслед за этим в металле формируется ячеистая структура - весь объем зерен разграничен дислокационными стенками на микрообъемы размером - 1 мкм, которые paзориентированы на углы до 1° в пределах каждого зерна. При этом изменение формы металла осуществляется за счет дислокационного механизма - выхода на поверхность металла огромного количества дислокаций, каждая из которых образует на поверхности микроскопическую ступеньку размером в одно межатомное расстояние (более точно - размером в вектор Бюргерса дислокации).

2. При увеличении степени деформации в металлах может наблюдаться переход к новому механизму деформации - ротационному. При этом происходит разворот отдельных объемов металла размером в единицы и десятки микрометров вокруг некоторых осей на углы в единицы и десятки градусов. Пластическая деформация металла при этом напоминает образование складок на ткани. Носителями такого типа деформации являются дефекты, которые называются частичными дисклокациями.

3. Образование складок - кристаллографически переориентированных областей в металле заканчивается образованием новых границ. Если эти новые Границы деформационного происхождения ограничивают микрообъемы металла, то такая структура называется фрагментированной.

4. Двойникование в металле является частным случаем образования переориентированных областей в кристалле, частным случаем ротационной пластичности.

Итоги главы 6

1. В результате анализа экспериментальных данных по исследованию структуры деформированного и отожженного металла установлено, что образование бездефектного зародыша нового рекристаллизоваввого зерна обусловлено энергетической выгодностью перегруппировки дефектов кристаллического строения с образованием новой границы, разделяющей зародыш от деформированной матрицы.

2. Движущими силами появления зародыша рекристаллизоваввого зерна являются внешние напряжения и деформационное упрочнение, а лапласовы напряжения, создаваемые новой границей препятствуют его образованию. Преимущественным местом появления зародыша являются микрообъемы, в которых движущие силы имеют максимальное значение, т.е. объемы вблизи межзеренных границ, вблизи свободной поверхности. Зародышами новых зерен могут быть дислокационные или полигональные ячейки в деформированном металле. Чем выше степень деформации, тем более высокую энергию имеет новая межзеренная граница.

3. Движущими силами миграции границ являются внешние напряжения, и деформационное упрочнение. Лапласовы напряжения при вогнутой форме границ стимулируют ее движение, а при вогнутой - тормозят. Чем меньше радиус кривизны границы, тем сильнее влияние лапласовых напряжений.

4. Процессы термического разупрочнения - первичной рекристаллизации или «рекристаллизации на месте» (полигонизации) протекают очень быстро, поскольку движущие силы процесса очень велики. При снятии деформационного упрочнения процессы миграции границ значительно замедляются.

5. Высокоугловые Границы более подвижны, чем малоугловые или специальные. Это особенно сильно сказывается при окончании первичной рекристаллизации во время собирательных процессов роста зерен.

6. При движении Границы могут взаимодействовать с другими дефектами и между собой. При этом изменяется структура и свойства границ. Выход границ на поверхность металла означает микроскопическое изменение формы металла. Следовательно, Выход гранил на поверхность металла - микроскопический механизм пластической деформации и механизм текстурообразовання при теплой и горячей деформации. Поскольку данный механизм деформации имеет выраженный диффузионную природу, он может быть идентифицировав как вязкий кооперативный механизм.

7. Вероятностное описание релаксационных процессов в металле дает возможность составить модель «упрочнение - релаксация», которая позволяет рассчитывать сопротивление деформации металла, а также изменение напряжений во времени, возникающих, например, во время фазовых превращений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Пластические и прочностные свойства определяются его химическим составом. Определить наиболее благоприятные условия деформирования сплава можно при помощи диаграмм состояния.

2. Напряжения пластической деформации монокристаллов имеют сильную зависимость от взаимной ориентации плоскостей и направлений легкого скольжения и площадок и направлений действия максимальных касательных напряжений. Минимум деформирующих напряжений, минимум деформационного упрочнения наблюдается при совпадении плоскостей и направлений легкого сдвига с плоскостями и направлениями действия максимальных касательных напряжений.

3. Чистые металлы с наиболее часто встречающимися типами кристаллических структур ГЦК, ОЦК, ГПУ могут обладать высокой пластичностью. Провалы пластичности обусловлены в основном состоянием межзеренных границ и присутствием на них примесных атомов. Локальная концентрация примесей на границах может значительно превосходить среднюю концентрацию примесей по металлу. В связи с этим наличие примесей может вызвать появление легкоплавких эвтектик на границах. Появление жидкой фазы на границе вызывает во время деформации разрушение по границам и резкое снижение (провал) пластичности.

4. Неограниченные неупорядоченные твердые растворы обладают высокой пластичностью во всем температурном интервале своего существования

В сплавах с ограниченной растворимостью легирующего элемента пластичность при низких температурах можно повысить за счет получения пересыщенного неупорядоченного твердого раствора посредством закалки от высоких температур. Это возможно в случае, если диаграмма состояния не показывает химических соединений (например, Fe.C). а упорядочение в металлических системах происходить не успевает.

5. Фазообразование в металлических системах многообразно, но практически всегда сопровождается упорядочиванием и упрочнением сплава. Упорядочение и выделение металлических соединении, приводящее к упрочнению сплава, должно сопровождаться уменьшением объема системы или ослаблением энергии межатомного взаимодействия, которое обеспечивает выигрыш в энергии системы. Упорядочение сплавов - еще одно подтверждение принципа самоорганизации в неравновесных термодинамических системах, сформулированного нами в главе 6.

6. Рассчитать изменение свойств сплава при образовании новых металлических фаз в твердом состоянии можно, используя структурную энтропию и вероятностные функции распределения внутренних напряжений. Изменение свойств сплава при упорядочении (упрочнение и снижение пластичности) зависит от температуры и типа упорядочения, химического состава сплава. Изменение энтропии при упорядочении с образованием соединения АВ численно равно и противоположно по знаку энтропии смешения .

7. Дисперсионное твердение сплава представляет собой Упорядочение при старении, которое не могло произойти при охлаждении пересыщенного твердого раствора по причинам недостаточной концентрации и малой подвижности атомов легирующего элемента. Расчет изменения свойств сплава при упорядочении может быть использован для расчета свойств состаренных сплавов. Многостадийность старения и перестаривание может быть обусловлена изменением типа упорядочения (типа соединения) и пространственной переориентации атомов легирующих элементов.