Физическая природа пластической деформации

Необратимое изменение формы металлического тела в твердом состоянии является сложным физико-химическим процессом, в результате которого изменяется строение металла, его механические, физические и химические свойства. В связи с этим рассмотрим физическую природу (сущность) холодной пластической деформации монокристалла.

После снятия внешней нагрузки, смещенные атомы под действием межатомных сил возвращаются в первоначальные места устойчивого равновесия, а форма тела полностью восстанавливается. Вследствие изменения при упругой деформации расстояний между атомами происходит незначительное обратимое изменение объема тела. Упругая деформация не изменяет строения металла и его свойства.

С увеличением внешней нагрузки отклонение атомов от мест устойчивого равновесия увеличивается и при определенных нагрузках они смещаются в новые места устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные. После снятия нагрузки форма тела не восстанавливается. Такое необратимое изменение формы называется пластической (остаточной) деформацией.

Пластическая деформация монокристалла развивается, в основном, за счет двух процессов: скольжения и двойникования. Скольжение – основной механизм пластической деформации представляет собой относительное и поочередное смещение тонких слоев монокристалла (рис. 8, а).

Скольжение атомов происходит по особым кристаллографическим плоскостям, а их относительное смещение составляет примерно (1…2) × 10–8м. При специальной обработке поверхности деформированного металла полосы скольжения можно наблюдать визуально в виде мелких рисок определенной конфигурации. В отличие от скольжения, процесс двойникования состоит в стройном смещении группы атомов относительно особой плоскости – плоскости двойникования (рис. 8, б). В результате двойникования смещающаяся часть монокристалла будет зеркальным отображением его недеформированной части. Двойникование происходит обычно при ударных нагрузках, а иногда и при термической обработке.

В связи с тем, что в реальных кристаллах имеются места ослабленных связей между атомами, при пластической деформации происходят сдвиги одновременно не по всей плоскости скольжения, а последовательно путем перемещения отдельных групп атомов относительно других, на что требуются значительно меньшие сдвиговые напряжения.

Ослабление связей между атомами обусловлено наличием несовершенств в строении реальных кристаллов: примесей, отсутствие или избыток в узлах решетки дополнительных атомов и др. К особому виду несовершенств относятся – дислокации – краевые (линейные) и винтовые (рис. 9).

Краевая (линейная) дислокация представляет собой несовершенство кристаллической решетки, при котором число атомных плоскостей, расположенных выше или ниже плоскости скольжения, неодинаково. Под действием сдвигающих напряжений τ краевая дислокация передвигается. Смещение дислокации заключается в последовательном и параллельном перемещении исходной дополнительной плоскости от одной соседней плоскости к другой в направлении края кристалла. В результате одна часть кристалла сдвигается относительно другой на одно межатомное расстояние.

Сущность винтовой дислокации состоит в том, что кристаллографические плоскости, перпендикулярные к плоскости скольжения, имеют изгиб со сдвигом на одно межатомное расстояние. Движение винтовой дислокации приводит к пластическому сдвигу в направлении, перпендикулярном к направлению движения дислокации, и к смещению одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние.

Возможность получения значительных пластических деформаций у реальных кристаллов объясняется наличием в них большого числа дислокаций. Например, в отожженных металлах на 1 см2 приходится 107–108 дислокаций. Очевидно, что при отсутствии дислокаций и других несовершенств в кристаллической структуре металлов для смещения одной части кристалла относительно другой пришлось бы сдвигать одновременно все атомы в плоскости скольжения.

Для такого сдвига потребовались бы значительные сдвигающие напряжения. С увеличением количества дислокаций прочность кристаллов резко уменьшается. Однако при дальнейшем увеличении количества дислокаций и других несовершенств прочность кристаллов снова увеличивается. Так, в процессе холодной пластической деформации в металле возникают дополнительные дислокации, образуются осколки кристаллов, которые, затрудняя дальнейшую деформацию, приводят к увеличению прочности, уменьшению пластичности и изменению физико-химических свойств металла: электросопротивление и химическая активность увеличиваются, магнитная проницаемость и теплопроводность уменьшаются.

В результате обработки давлением зерна частично раздробляются и вытягиваются в направлении наибольшего течения металла, образуя строчечную структуру. Аналогично монокристаллу, холодная пластическая деформация поликристаллитного металла вызывает его упрочнение. Пластическая деформация всегда сопровождается упругой. В связи с тем, что при обработке металлов давлением величина пластической деформации значительно превышает величину упругой деформации, последняя часто не принимается во внимание. В отдельных случаях (при холодной прокатке листов, гибке листового материала и др.) пренебрегать упругими деформациями нельзя.

При вполне определенной для каждого металла величине пластической деформации в них образуются микротрещины. При дальнейшем деформировании (не являющемся уже пластическим) эти трещины развиваются и приводят к разрушению металла. При обработке давлением важно знать условия деформирования, при которых происходит пластическая деформация и наступает разрушение. К условиям деформирования относятся: усилия деформирования, температура, степень и скорость деформации и т. д.