Деформация пластическая

Деформация пластическая

ДЕФОРМАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ, деформация, остающаяся после удаления действующих на тело сил, сопряженная с относительными перемещениями смежных между собой частиц тела. Под пластичностью понимают способность частиц сохранять в новом положении взаимное сцепление, существовавшее до процесса деформации; в этом отношении пластически деформируемое тело напоминает жидкость, характерной особенностью которой является способность составляющих ее частиц восстанавливать непрерывность жидкого тела после любых, относительных между частицами, перемещений.

Процесс протекания пластического деформирования существенно зависит от того, является ли тело аморфным или кристаллическим. В аморфном теле атомы расположены в случайном, неорганизованном порядке, подобно тому, как это имеет место в жидкости, и пластическая деформация происходит в результате множества единичных перемещений одних частиц относительно других; с этой точки зрения аморфное тело можно рассматривать как переохлажденную вязкую жидкость. В кристаллических телах атомы находятся в строго определенном взаимном расположении, определяемом свойственной данному телу кристаллической системой. В каждой системе определенные кристаллографические плоскости являются плоскостями наименьшего сопротивления сдвигу, поэтому пластическая деформация кристалла происходит путем одновременных сдвигов всех атомов, находящихся в одних плоскостях кристаллографической решетки, относительно атомов соседних плоскостей в направлении, также вполне предуказанном кристаллографически. На эскизе 5, показано деформированное вплоть до разрыва кристаллическое тело, состоящее в поперечном сечении из одного кристалла. На фиг. 1 схематически показана деформация растяжения монокристаллического тела, кристаллографические плоскости сдвига которого наклонены под углом 45° к направлению внешнего усилия.

Деформация растяжения монокристаллического тела

В нижеследующей таблице указаны кристаллографические элементы пластической деформации кристаллов, обозначенные индексами по Миллеру (гексагональная система - по Браве), из которых видно, что плоскостями сдвига являются те, которые наиболее густо усеяны атомами.

Кристаллографические элементы пластической деформации кристаллов, обозначенные индексами по Миллеру (гексагональная система - по Браве)

Кроме описанной простой деформации сдвига, кристаллы дают также при известных условиях деформацию двойникования, при которой некоторая область кристалла перебрасывается поворотом на небольшой угол в положение, симметричное с исходным. Такая деформация наблюдается, например, при растяжении монокристалла цинка при начале образования шейки, по плоскости (1012) с углом поворота в 4°5'.

Механическая сторона процесса возникновения пластической деформации в кристаллах характеризуется при этом постоянной величиной составляющей скалывающего напряжения в плоскости и направлении сдвига, свойственной данному материалу (кристаллографический предел упругости). Так. обр., для растягиваемой палочки монокристалла предел упругости, выраженный величиной главного напряжения, становится, в отличие от поликристалла, функцией ориентировки. При этом оказываются возможными случаи, когда, вследствие неблагоприятной ориентировки, нормальное напряжение по плоскости наименьшего сопротивления разрыву (обычно совпадающей с плоскостью легчайшего сдвига) превзойдет сопротивление сил сцепления раньше, чем скалывающее напряжение в той же плоскости превзойдет предел упругости. Тогда произойдет хрупкий разрыв пластического по существу материала, условие которого дается зависимостью:

Deformac plast 3

где χ и λ - углы, образуемые осью кристалла соответственно с плоскостью и направлением сдвига, R - сопротивление материала разрыву и Т - сопротивление сдвигу (предел упругости).

При дальнейшем растяжении кристалла появляется т. н. упрочнение, или повышение, кристаллографического скалывающего напряжения. О причине упрочнения существует множество гипотез (образование аморфных прослойков, появление внутренних напряжений, искажение атомной решетки), из которых ни одна еще не может считаться окончательно принятой.

При разрыве монокристаллы обнаруживают значительно более высокое удлинение, чем поликристаллы, особенно при низкой степени симметрии решетки. Например, однокристальный цинк (гексагональная система) удлиняется на 600% против 20—30% для многокристаллического.

Фактор времени оказывает значительно большее влияние на пластические свойства тел аморфных, чем на пластические свойства тел кристаллических; некоторые аморфные тела, крайне хрупкие при быстром нагружении, могут дать весьма значительные остающиеся деформации, подвергаясь длительному воздействию нагрузки; например, такое хрупкое тело, как стекло, может дать в результате многолетнего нагружения весьма большой остаточный прогиб.

Употребляемые на практике материалы являются обычно не в виде одного кристалла, а представляют собою тела, составленные из множества отдельных кристаллов, называемых кристаллитами или зернами. Деформация такого агрегата протекает значительно сложнее, чем отдельных кристаллов, вследствие различной ориентировки соседних зерен; препятствуя деформации, это обстоятельство обусловливает значительное повышение предела упругости технических материалов по сравнению с монокристаллами. Существует мнение, что на границах отдельных зерен или кристаллитов имеется некоторое количество вещества в аморфном или полуаморфном состояниях, что еще более усложняет ход пластической деформации в таких поликристаллических телах. Большинство материалов, употребляемых в технике, представляет собою, кроме того, агрегаты кристаллитов разных типов; например, сталь может содержать в себе зерна феррита и перлита, обладающие весьма различной твердостью и пластичностью. Пластические деформации такого поликристаллического агрегатного тела зависят как от свойств входящих в агрегат составляющих, так и от их взаимного расположения.

Следы описанных выше плоскостей сдвига в кристаллах, составляющих тело, м. б. обнаружены при помощи микроскопа на поверхности шлифа, изготовленного из этого тела. На фиг. 2, А показана схематически в разрезе часть поверхности тела на границе двух зерен до деформации, а на фиг. 2, Б - та же часть после деформации, вызвавшей сдвиги по ряду плоскостей.

Часть поверхности тела на границе двух зерен до деформации и после деформации

Места сдвигов под микроскопом видны в виде темных полос, т. к. лучи света, попадая на наклонные плоскости сдвигов, отражаются в сторону и не попадают в объектив микроскопа. На эскизе, 6 а, в, представлены микрофотографии одной и той нее группы зерен мягкого железа до и после деформации.

Задолго до момента разрыва, кроме линий, соответствующих пластическим деформациям, в поле зрения микроскопа появляются полосы, которые следует признать не за сдвиги, а за поверхностные трещины. Такие трещины видны на фотографии деформированного зерна феррита, окруженного перлитом (эскиз, 7).

Механическая картина пластической деформации поликристалла при растяжении характеризуется также непрерывным упрочнением или повышением сопротивления вслед за пределом упругости. К причинам, действующим при деформации одного кристалла, здесь присоединяется влияние различной ориентировки зерен («интерференционная теория» Джефриса и Арчера), втягиваемых в работу, в порядке возрастания неблагоприятности этой ориентировки.

Появление пластической деформации при растяжении у некоторых металлов (медь, алюминий, твердая сталь) происходит постепенно, тогда как у других (железо, мягкая сталь) возникает сразу в значительных размерах (1—2%), давая на диаграмме растяжения (фиг. 3) так называемую площадку текучести В.

Диаграмма растяжения

Во время этого процесса величина напряжения остается постоянной, испытуемый же образец, если поверхность его была отполирована, постепенно покрывается сетью наклонных матовых полос (т. н. линий Людерса или Гартмана), являющихся внешним выражением зон прошедшей пластической деформации и свидетельствующих о неоднородном характере процесса деформации. Механически явление текучести слагается из внезапного спадания сопротивления сдвигу вслед за началом деформации и 2) местного повышения напряжения на границе деформированной зоны с недеформированной. Вследствие первой причины на диаграмме растяжения можно часто (особенно при очень пологом переходе от головки образца к стержню) наблюдать в начале диаграммы зуб (фиг. 3, А), высота которого иногда достигает 50% от уровня площадки текучести.

Наступлению текучести часто предшествует появление очень малых пластических деформаций, вследствие которых предел упругости оказывается ниже предела текучести.

При изгибе весьма характерно одновременное существование в одном и том же сечении и упругой и пластической стадий деформации, а именно - в области, ближайшей к нейтральной оси, могут еще оставаться напряжения ниже предела упругости, тогда как в крайних волокнах тело уже деформируется пластически. На фиг. 4 даны изображения по фасаду и разрезу областей упругих и пластических деформаций и эпюра напряжений в сечении под грузом при изгибе.

Изображения по фасаду и разрезу областей упругих и пластических деформаций и эпюра напряжений в сечении под грузом при изгибе

Зональность деформаций имеет место при сжатии, смятии и других случаях нагрузки; так, например, на эскизе 2, видны пластические деформации парафинового цилиндра, подвергнутого сжатию; на эскизе 4, засняты фигуры текучести, появившиеся при вдавливании штемпеля в круглую железную пластинку, а на эскизе 1 фигуры текучести в том же материале при продавливании круглого отверстия; на эскизе 3 а, b, показаны зоны текучести у железных стержней прямоугольного сечения 1,31x1,98 см, подвергнутых кручению на угол 1,76°/см и на угол 1,07°/см.

Влияние повышения температуры на пластическую деформацию выражается непрерывным облегчением последней с соответствующим понижением предела упругости; этот предел стремится к нулю по мере приближения к температуре плавления. При достижении температуры известного предела (для стали не выше верхней критической точки) деформации проходит вовсе без упрочнения, вследствие одновременно идущего процесса рекристаллизации. Нагревание деформированного металла не ниже температуры рекристаллизации снимает полученное им упрочнение (отжиг), при сохранении полученной в процессе деформации формы.

Явлением пластической деформации широко пользуются при горячей и холодной обработке металлов, например, при ковке, прокатке, волочении и т. д. Аналитические исследования явления пластических деформаций даны в работах Надаи (Nadai), Мизеса (Mises) и Беккера.

Деформация пластическая

Деформация пластическая

Деформация пластическая

Деформация пластическая

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.