Деформация моно- и поликристаллов

При деформировании монокристалла дислокации перемещаются беспрепятственно на большие расстояния. Монокристалл не упрочняется, пластическая деформация велика без значительного роста действующих напряжений. Эта I стадия легкого скольжения (рис. 3.7) в кристаллах с ГПУ решеткой достигает 100 %, с ГЦК и ОЦК – 10–15 %. Плоскостями легкого сдвига в ГЦК металлах являются плоскости (111), в ОЦК металлах – плоскости (110), в ГПУ металлах – плоскости (0001).

Когда первичные системы легкого сдвига блокированы, начинается II стадия движения дислокаций (скольжение) по вторичным плоскостям (см. рис. 3.4). На этой стадии происходит интенсивное упрочнение. Дислокации имеют короткий пробег вследствие взаимодействия с дислокационными барьерами. Для этой стадии характерна активная работа источников Франка-Рида (резко увеличивается плотность дислокаций). На III стадии деформации под влиянием возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции дислокаций разного знака. Имеет место динамический возврат − уменьшение деформационного упрочнения.

При пластической деформации в реальных условиях в механизмах пластичности участвует скольжение по нескольким системам.

При деформировании поликристалла стадия легкого скольжения отсутствует (см. рис. 3.7). Достигнув границы зерна, дислокации останавливаются. Напряжения при скоплении дислокаций упруго распространяются через границу и приводят в действие источники Франка-Рида в соседнем зерне. Плоскости и направления скольжения в каждом зерне различны. Зерна деформируются неодинаково, так как ориентированы произвольно по отношению к приложенной нагрузке(рис. 3.8).

Пластическая деформация начинается в зернах, в которых плоскости скольжения совпадают или близки вектору максимальных касательных напряжений. Одновременно происходит смещение и поворот соседних зерен. Зерна вытягиваются в направлении пластического течения. Концентрация дефектов (дислокаций, вакансий, междоузельных атомов) внутри зерен возрастает. Дефекты затрудняют движение дислокаций: сопротивление деформации растет, пластичность – уменьшается. Явление упрочнения металла называют наклепом.

Внутри зерен дислокации сначала распределяются равномерно. При увеличении степени деформации более 40 % появляется ячеистая структура. Ячейки с размером 0,2–3 мкм свободны от дислокаций; границы ячеек – сложно переплетенные стенки дислокаций.

Текстура деформации. Механическая текстура − преимущественнаяориентация зерен в направлении, перпендикулярном нормальным напряжениям (рис. 3.8, г), которая возникает при большой степени деформации. В холоднокатаном металле зерна сплюснуты в поперечном направлении и вытянуты в продольном. Кристаллографическая текстура − ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах относительно выбранных в пространстве.

Деформирование двухфазного сплава. Каждая фаза имеет свои плоскости скольжения и критические напряжения сдвига. Процесс деформирования зависит от количества и структуры второй фазы, характера ее распределения.

Когда дислокация наталкивается на когерентные частицы второй фазы, то она их перерезает или огибает. Небольшие когерентные частицы перерезаются дислокациями (рис. 3.9, а). Чем прочнее частицы, тем труднее они перерезаются. Большие частицы, находящиеся на значительном расстоянии, огибаются дислокациями с образованием петель.

Когда дислокация наталкивается на некогерентные частицы, то она их только огибает (рис. 3.9, б). Оставив вокруг частицы петлю, дислокация скользит в прежнем направлении. При возрастании напряжений число петель вокруг частиц увеличивается. Напряжение для продвижения дислокации между частицами растет, прочность металла увеличивается.

Разрушение металлов. Процесс деформации при высоких напряжениях заканчивается зарождением трещины и ее распространением через образец – разрушением. Если металл претерпевает перед разрушением упругую и значительную пластическую деформацию (более 30 %), то говорят о вязком разрушении. При отсутствии или незначительном развитии пластической деформации происходит хрупкое разрушение. Для хрупкого разрушения характерна острая, ветвящаяся трещина, вязкого – тупая, раскрывающаяся. Абсолютно вязкое разрушение характерно для сырой глины; абсолютно хрупкое – для алмаза. Большинству материалов присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, разделение проводится по преобладанию того или иного вида. Механизм зарождения трещины одинаков (рис. 3.10). При скоплении дислокаций перед препятствием (границы зерна, межфазной границы, включения) возникают напряжения, достаточные для образования микротрещины.

3.3. Влияние температуры на структуру деформированного металла

 

До пластической деформации металл находился в равновесном состоянии 1 (рис. 3.11) с минимальным запасом свободной энергии. Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию, превращается в теплоту – металл нагревается. Система переходит в неравновесное состояние 2. Часть энергии, затрачиваемой при деформации на образование дефектов, накапливается в металле. Плотность дислокаций увеличивается от 10⁶–10⁸ до 10¹² см^-2. Система переходит в метастабильное состояние 3, устойчивое при комнатной температуре. При преодолении барьера D Е для диффузии точечных дефектов и движения дислокаций, система возвращается в равновесное состояние.

Возврат. При низких температурах нагрева протекает первая стадия возврата – отдых. Форма зерен не изменяется. Происходит уменьшение концентрации собственных точечных дефектов (сток к границам, взаимоуничтожение) и дислокаций. Краевые дислокации одинакового знака отталкиваются, противоположного – притягиваются и уничтожаются (рис. 3.12). Из двух «лишних» полуплоскостей образуется одна плоскость. Уничтожение краевых дислокаций противоположного знака, расположенных в параллельных плоскостях скольжения, сопровождается образованием междоузельных атомов или вакансий. Винтовые дислокации противоположного знака, движущиеся в одной плоскости скольжения, взаимно уничтожаются. Остаются в металле хаотично расположенные дислокации одного знака. Отдых металла уменьшает на 10–15 % твердость и прочность.

При более высоких температурах нагрева протекает вторая стадия возврата – полигонизация. В результате скольжения и переползания дислокаций зерно делится на субзерна – полигоны (см. рис. 3.13), свободные от дислокаций. Дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки. Полигонизация редко развивается в меди и ее сплавах, но выражена в сплавах алюминия и железа. При деформировании сплавов сложного состава полигонизация приводит к возникновению стабильной ячеистой структуры. Дислокации скапливаются на границах ячеек. Ячеистая структура сохраняется при значительном нагреве, сплавы не рекристаллизуются. При нагреве деформированных металлов процессы отдыха происходят всегда.

Рекристаллизация. Первичная рекристаллизация – образование зародышей новых зерен и их последующий рост. Зародыши возникают на участках с повышенной плотностью дислокаций, где сосредоточены наибольшие искажения решетки – у границ деформированных зерен, блоков (рис. 3.14). Чем больше степень пластической деформации, тем больше зародышей. Зародыши растут путем диффузии атомов от деформированных участков. Для начала первичной рекристаллизации необходимы два условия.

1. Критическая степень деформации (для алюминия – 2 %, для железа и меди – 5 %). При меньшей степени деформации зарождения новых зерен не происходит. 2. Температурный порог рекристаллизации – наименьшая температура, обеспечивающая возможность зарождения зерен: Т _рек = a × Т _пл.

Коэффициент a зависит от чистоты металла и степени деформации. Чем больше степень холодной деформации металла, тем ниже температура рекристаллизации. Для металлов технической чистоты a = 0,3–0,4, для твердых растворов a= 0,5–0,6. Для алюминия, меди и железа технической чистоты Т _рек равна: 100, 270 и 450 °С.

Первичная рекристаллизация снимает наклеп. Далее происходит рост зерен – собирательная рекристаллизация. Зерна укрупняются за счет слияния и объединения границ. Свободная энергия уменьшается вследствие уменьшения поверхностной энергии. Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост отдельных зерен по сравнению с другими: формируются зерна-гиганты и зерна-карлики.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: