Деформация и рекристаллизация металлов: Рекомендации к выполнению практических занятий по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Деформация – это изменения размеров и формы тела под действием приложенных сил.

Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-механическими процессами, возникающими в самом теле (например, изменением объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).

В случае одноосного растяжения возникающие напряжения имеют вид

    ()

Так как сила Р, приложена к некоторой площадке А, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения (рисунок 1, а).

Нормальные напряжения подразделяются на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

Концентраторами напряжений называют такие источники концентрации напряжений как механические надрезы, трещины, внутренние дефекты металла, сквозные отверстия, резкие переходы от толстого к тонкому сечению и т.д., которые приводят к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рисунок 1,б).

              а)                                                   б)

Рисунок 1 – а) Образование нормальных  и касательных  напряжений приложенной силы  к площади ;

б) эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений:

 - номинальное (среднее) напряжение;

 - максимальное напряжение

Так как напряжения вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения, наиболее часто возникающие в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев, называются тепловыми. Кроме того, напряжения, возникающие в процессе кристаллизации, при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т.д., называются фазовыми или структурными.

Внутренние напряжения по предложению Н.Н. Давиденкова различают следующем образом.

Напряжения I рода, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей (макронапряжения).

Напряжение II рода, уравновешивающиеся в объеме зерна (кристаллита), или нескольких блоков (субзерен) [микронапряжения] возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.

Напряжения III рода, локализующиеся в объемах кристаллической ячейки, представляют собой статические искажения решетки, т.е. смещения атомов на доли ангстрема из углов кристаллической решетки.

Все эти виды напряжений взаимосвязаны между собой. Например: рост микронапряжений III рода может вызвать образования макронапряжений I рода.

Внутренние напряжения оказывают большое влияние на свойства металла и на превращения, протекающее в них.

Упругой деформацией называется деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла.

Напряжение, которое выдерживает образец, не давая заметной остаточной деформации после  разгрузки, называют пределом упругости. Величина упругого смещения любого атома (рисунок 2) относительно его соседей очень мала и линейно зависит от нагрузки (закон Гука)

σ = Е  , где  Е - модуль упругости, или модуль Юнга, характеризующий жесткость  материала, т.е. его сопротивления упругой деформации,

 - относительная упругая деформация кристалла.

Рисунок  2 –   Кривая растяжения пластического металла:

ОА – область упругой деформации;

АВ – область пластической деформации

Модуль  упругости зависит от структуры металла (сплава) и его обработки и определяется типом кристаллической решетки (силами межатомной связи).

Пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической (остаточной), остается. Пластичная деформация – это результат необратимых коллективных смещений атомов. При этом одновременно с изменением формы меняется и ряд свойств. Пример: при холодном деформировании повышается прочность