Теоретическая и техническая прочность

Раздел 2. Деформация металлов. Физико-механические свойства металлов, методы их определения.

Лекция №3

Теоретическая и техническая прочность
Пластическая деформация металлов.
Наклеп, возврат и рекристаллизация.
Холодная и горячая деформация
Сверхпластичность.

Теоретически прочность железа должна составлять 130000 МПа, а фактически она равна 250 МПа. Это связано с тем, что деформация осуществляется не одновременным смещением плоскостей атомов, а постепенным перемещением дислокаций. В результате своей трансформации она выходит на поверхность кристалла и исчезает. При ограниченной плотности искажений кристаллической решетки сдвиг происходит тем легче, чем больше дислокаций в объеме металла. Они могут воздействовать друг на друга, вызывая взаимное уничтожение себя самих. Чем выше плотность дислокаций, тем больше затруднено их движение. В результате требуется приложение большей нагрузки, что вызывает упрочнение металла. Увеличение стойкости можно вызвать наклепом, термической и термомеханической обработкой.

Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Упрочняющее или ослабляющее действие дефектов кристаллической решетки зависит от их количества. Существует два пути упрочнения металлических материалов:

1) Создание идеальных бездефектных кристаллов (левая ветвь графика – теоретическая)

2) Увеличение плотности дислокаций (правая ветвь) – практически реализуемая прочность..

Рис.1.

2.Пластическая деформация металлов.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяют на упругие и пластические.

Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения ионов металлов от положений равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями катионов металла. В основе пластических деформаций лежат необратимые смещения ионов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. При пластической деформации линейная связь между напряжением и деформацией обычно отсутствует. Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью.

Результатом пластического деформирования является смещение одной части кристалла относительно другой. Пластическая деформация твердых тел в основном осуществляется скольжением. Скольжение или смещение отдельных частей кристалла совершается под действием касательных напряжений. Оно осуществляется в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Металлы, имеющие большое количество таких плоскостей и направлений (с кубической кристаллической решеткой), являются наиболее пластичными. Кристаллическая решетка ГПУ обладает низкими пластическими свойствами.

Расчетные и экспериментальные значения по касательным напряжениям, отвечающим началу пластической деформации твердого тела, значительно расходятся. При этом исходят из предпосылки, что процесс скольжения осуществляется одновременным смещением всех атомов одной кристаллографической плоскости относительно атомов смежной, параллельной плоскости.

Предположение о смещении только группы атомов данной плоскости получило экспериментальное подтверждение. Пластическая деформация осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Для перемещения дислокации из положения 1 в положение 2 требуется лишь незначительное перемещение отдельных атомов. Так дислокация пройдет всю плоскость скольжения и выйдет на поверхность зерна в виде ступеньки.

Рис.2 Механизм пластической деформации.