Материал: Potekhin - Metallovedeniye 2019

Электронный архив УГЛТУ

пересекающих 1 см2 в любой части кристалла, может колебаться от 0 (идеальный монокристалл) до 1012 в сильно деформированном металле. Этот вид дефекта определяет формирование многих свойств металлов и их сплавов.

При этом, чем выше плотность дислокаций в промышленных сталях, сплавах, тем выше их прочность.

1.3. Зерно и границы зерен

Реальные металлы состоят из зерен. Зерно представляет собой область размером 50 500 мкм, например, отделенную от подобных соседних областей границей раздела (рис. 5). В каждой из этих областей-зерен атомные плоскости расположены строго регулярно, но в соседних зернах эти же плоскости расположены под разными углами α (рис. 5, б), а граница зерна (А-А) есть зона сопряжения двух соседних зерен.

Рис 5. Строение поликристалли ческого металла (а); граница (А-В), определяющая каждое зерно (б) и дислокационное строение границ зерен (в) схема

Граница зерна формируется дислокациями и другими дефектами кристаллического строения, является поверхностным дефектом кристаллического строения. Размер зерна у металлов весьма существенно влияет на физические, механические и др. свойства металлов, особенно сплавов. Сплавы – это соединения двух или нескольких металлов и неметаллов.

Например, для обеспечения максимальной магнитопроницаемости электротехнических сталей необходимо зерно размером 10-20 мм, а для обеспечения высокой прочности и твердости зерно не превышает 5-10 нм

(наноструктура).

Плотность дислокаций ρ в наноструктурированных металлах и сплавах может быть выше 1016, а прочность и твердость может превышать таковые для закаленной высокопрочной стали.

9

Электронный архив УГЛТУ

2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

2.1. Понятия и способы определений деформации

Деформации металлов есть процесс формоизменения образца или изделия или относительного смещения одних атомных слоев относительно других под влиянием внешних сил (напряжений). Представим себе,

например, сжатие на прессе цилиндрического образца (рис. 6) высотой h0.

Рис. 6. Изменение высоты и формы образца в процессе сдавливания его на прессе: а – до сдавливания его высота была h0; б – после сдавливания и разгрузки – hK

Степень деформации Ɛ определяется очень просто:

Ɛ = (h0 hK)/h0 = h/h0 – это остаточная относительная деформация; e = ln (Δh/h0) это остаточная истинная деформация.

Часто степень деформации определяют в процентах, например: Ɛ = (h0 hK)/h0 100%; e = ln (Δh/h0) 100 %.

При определении механических свойств металлов часто производят испытания цилиндрических образцов растяжением на разрывных машинах

(рис. 7).

Рис. 7. Изменение формы образца в процессе растяжения вплоть до разрушения: а – исходный образец: l0 = 5d0; l0 = 10d0 - пятикратный или десятикратный разрывные образцы; б – растянутый (разрушенный) образец

10

Электронный архив УГЛТУ

Следует отметить, что механические испытания – весьма информативный метод получения полезных и важных сведений о металлах и сплавах. Механические свойства являются наиважнейшими характеристиками металлов и сплавов, ответственными за работоспособность, долговечность и другие качества приборов, механизмов, машин.

Измеряя l и d до и после разрушения, определяют способность металлов к деформации, определяя относительное удлинение

δ = [(lk l0)/l0]∙100% = (Δl/l0)∙100 %;

и поперечное сужение

ψ = (S0 Sk)/S0∙100 %

где S0 и Sk, - площади сечения образца до и после деформации соответственно.

Кроме того, в процессе растяжения строится диаграмма Р ΔL, т. е. усилие деформации - изменение длины образца (рис. 8).

На этой диаграмме имеется прямолинейный участок 0 – Py. Он характеризует величину обратимой или упругой деформации. Например, если к образцу приложить усилие Рm, то образец удлинится на величину ΔLm, но если нагрузку снизить до 0, то удлинение ΔLm исчезнет. Мы имеем дело с упругой (обратимой) деформацией.

Наклон начального участка диаграммы растяжения от 0 до Py, характеризуется углом наклона α, a tg α = dP/dL = Е называется модулем нормальной упругости (модулем Юнга) и характеризует силу межатомных связей.

Рис. 8. Диаграмма растяжения

Величину Е можно вычислить:

Е = (ΔР/ΔL) или Е = (σ/Ɛ)

или σ = EƐ (выражение представляет собой закон Гука),

11

Электронный архив УГЛТУ

где: σ действующее напряжение, МПа; Ɛ деформация, вызванная действием напряжения (при малых удлинениях Ɛ = δ).

Отношение Py/F0 характеризует предел упругости (F0 – площадь сечения образца).

σ0,2 – это то максимальное напряжение, до которого деформация является обратимой (σ0,2 измеряется в МПа).

Основной расчетной технической характеристикой является предел текучести σтк – это то напряжение, при котором величина остаточной деформации Ɛ = 0,2 %. В литературе, как правило, предел текучести обозначается σ0,2, реже σТ, и измеряется в МПа.

Из диаграммы растяжения (см. рис. 8) можно также вычислить услов-

ный предел прочности σВ. Предел прочности (условный) определяется как отношение максимальной нагрузки Рmaxк первоначальной площади сечения

испытуемого образца, т.е. Рmax/F0 и измеряется в МПа.

При кручении испытуемый цилиндрический образец скручивают, как показано на рис. 9, крутящим моментом Мк. Форма образца при этом не изменяется, как это имеет место при растяжении или сжатии.

Рис. 9. Схема испытания металлов на кручение (а); развертка поверхности образца (б); распределение деформации по сечению образца (в).

Из представленных схем видно, что какая-либо образующая образца цилиндра mn (до испытания) перемещается в положение mf в результате деформации кручением. Степень деформации γ определяется отношением длин mf/mn, другими словами: γ = tgα • 100% иногда вместо γ пишут τ).

Надо заметить, что в процессе кручения форма образца (в отличие от сжатия или растяжения), по существу, не изменяется). Кручение – самый мягкий, а одноосное растяжение - самый жесткий вид деформации.

Предел текучести при кручении определяется так же, как и при растяжении, и обозначается τ0,2, а модуль сдвига – G, определяют так же, как и модуль Юнга Е, т. е., G = τ/γ или τ = G γ.

12

Электронный архив УГЛТУ

2.2. Физические основы упрочнения металлов при пластической деформации

Кристаллическая решетка металлов, сплавов не является идеально правильной. Металлы состоят из зерен, а границы зерен сами по себе являются нарушением кристаллического строения (рис. 5).3ерна отличаются друг от друга формой, размерами и взаимным расположением атомных плоскостей.

Под влиянием напряжений, например, при сжатии, кручении или растяжении металлического образца, дислокация может перемещаться в плоскости скольжения mn следующим образом (рис. 10).

Рис. 10. Движение линейной дислокации под действием напряжения τ

Плотность (концентрация) дислокаций измеряется количеством их пересечений площади в 1 см2 и составляет 104...1012 1/см2. Например, 106 означает, что площадку в 1 см2 пересекает 1 млн линейных дислокаций, а 109 - 1 млрд дислокаций.

Дислокации могут под влиянием пластической деформации размножаться, т.е. образуются новые. Если в отожженном техническом металле их концентрация 1041/см2, то в сильно деформированном -109...10121/см2.

Дислокации (┴) образуются и могут перемещаться при пластической деформации в разных, в том числе и во взаимно пересекающихся плоскостях (рис. 11).

f

Рис. 11. Взаимодействие дислокации во взаимно пересекающихся плоскостях mn и m1n1. Точка f – пересечение атомных плоскостей

13