Строение металлов и физическая сущность пластической деформации
Теория обработки металлов давлением - прикладная наука, основной задачей которой является разработка основ построения оптимальной технологии обработки, обеспечивающей максимальную деформацию в каждой операции при минимальной затрате энергии, получение продукции высокого качества.
В теории обработки металлов давлением изучаются физическая природа пластической деформации металлов, влияние различных факторов на процесс деформирования, силовое взаимодействие между инструментом и деформируемым металлом, влияние пластич@ской деформации на строение и свойства обрабатываемого материала и др. При определенных условиях охлаждения жидкий металл затвердевает, превращаясь в тело правильной формы со строго упорядоченным внутренним (атомным) строением. Такое тело называется монокристаллом. Если в жидком металле атомы находятся в непрерывном хаотическом движении, то в монокристалле они под действием межатомных сил располагаются в определенном порядке. Такое строение называется кристаллическим, оно схематично изображается кристаллической решеткой (рис. 2, а), которая представляет собой вполне определенное для каждого металла расположение центров устойчивого равновесия атомов. Кристаллическое строение металла определяется типом элементарной ячейки и его параметрами (расстояние между атомами).
На рис. 2 приведены три наиболее распространенных типа элементарных ячеек. Гранецентрированную кубическую решетку (рис. 2, в) имеет железо при температуре от 910 до 1401'С, алюминий, свинец, медь, серебро, золото и др.; объемно-центрированную кубическую (рис. 2, б) - железо при температуре ниже 910'С, хром, вольфрам, молибден и др.; строение магния, титана, бериллия и других определяется гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой (рис. 2, г). Кристаллизация металла в условиях производства начинается одновременно во многих центрах. Поэтому после затвердевания такой металл состоит из огромного числа отдельных, прочно сросшихся между собой кристаллов - зерен (рис. 3, а). Такое тело называют поликристаллитом, а строение - поликристаллическим.
Металлы и сплавы, применяемые в машиностроении, и, в частности, в кузнечном производстве, имеют поликристаллическое строение. В этих металлах и сплавах, как правило, присутствуют различные неметаллические включения в виде окислов, нитридов, сульфидов и т. д. В силу того, что температура затвердевания неметаллических включений ниже, чем металла, то в первую очередь кристаллизуются поликристаллы, а затем затвердевают неметаллические включения, которые располагаются по границам зерен в виде тонких прослоек или отдельных включений разнообразной формы. Размеры зерен обычно составляют 0,01 - 0,1 мм, но при медленном охлаждении металла их размеры могут достигнуть нескольких миллиметров.
Свойства металлов во многом зависят от их кристаллического строения, величины и формы зерен и неметаллических включений. Так, чем более мелкозернистый металл, тем выше его механические свойства, а металлы, имеющие гранецентрированную кристаллическую решетку, обладают наиболее высокими пластическими свойствами.
При обработке металлов давлением под действием внешних сил в заготовке возникают напряжения. Если эти напряжения невелики, то происходит упругая, или обратимая, деформация. При такой деформации атомы металла смещаются с положений устойчивого равновесия на очень малые расстояния, не превышающие межатомные (рис. 4, б). После снятия нагрузки атомы под действием межатомного воздействия возвращаются в исходные положения устойчивого равновесия (рис. 4, а). Форма тела при этом полностью восстанавливается. При упругой деформации никаких остаточных изменений в металле не происходит. Величина упругих деформаций очень мала и составляет тысячные доли процента. С увеличением внешней нагрузки в теле напряжения растут, что ведет к увеличению смещения атомов с положения устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные (рис. 4, в). После снятия нагрузки атомы занимают новые места устойчивого равновесия и поэтому форма тела не восстанавливается (рис. 4, г). Такое необратимое изменение формы тела называется пластической деформацией. Способность металла подвергаться пластической деформации называется пластичностью. Количественно пластичность характеризуется величиной максимальной остаточной деформации, которую можно сообщить металлу до его разрушения. Пластичность, как будет показано ниже, зависит от условий деформирования (температуры металла, схемы нагружения и др.).
Пластическая деформация поликристаллического металла складывается из деформации внутрикристаллитной и деформации межкристаллитной. Рассмотрим внутрикристаллитную деформацию. Пластическая деформация в отдельно взятом зерне происходит в основном за счет скольжения одних тонких атомных слоев кристаллита (зерна) относительно других (рис. 4, в, г). Смещения происходят по особым кристаллографическим плоскостям, которые наиболее плотно упакованы атомами. Эти плоскости называют плоскостями скольжения. Например, для металлов с гранецентрированной кристаллической решеткой такой плоскостью является плоскость октаэдра (см. рис. 2, в). Скольжение атомных слоев происходит в первую очередь по тем плоскостям скольжения, направление которых составляет 45' по отношению к направлению действия усилия сжатия Р (рис. 3, а), так как по этим направлениям действуют максимальные касательные напряжения т. Так, в образце, представленном на рис. 3, а, скольжение будет происходить в зернах 1, 2, 3, 4, 5, так как их плоскости скольжения расположены под углом 45' к действию усилия Р. В результате пластической деформации зерна вытягиваются в направлении наибольшего течения металла и приобретают вытянутую форму (рис. 3, в). Такая структура называется строчечной или полосчатой.
В процессе деформирования зерна поворачиваются, перемещаются скольжением относительно друг друга - происходит межкристаллитная деформация (рис. 3, б). При разворотах у все большего числа зерен плоскости скольжения получают направление под углом 45' к действию силы Р и в них также интенсивно развивается пластическая деформация. Таким образом, заготовка в целом подвергается пластической деформации.
Для одновременного сдвига одной части кристаллита относительно другой требуются напряжения, в сотни и тысячи раз превышающие напряжения, достаточные для этого на практике. Связано это с тем, что в реальных металлах имеются места ослабленных межатомных связей и большое количество вредных примесей. Поэтому скольжение в зернах происходит не одновременно 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 кристаллитов, например, отсутствие или избыток в узлах решетки дополнительных атомов. Такие несовершенства называют дислокациями.
В процессе холодной пластической деформации в металле возникают дополнительные дислокации, образуются осколки кристаллитов, которые, затрудняя дальнейшую деформацию, вызывают увеличение прочности и твердости металла, уменьшение пластичности и изменение его физических и химических свойств. Так, электросопротивление и химическая активность увеличиваются, магнитная проницаемость и теплопроводность уменьшаются. Совокупность изменений механических, физических и химических свойств металла в результате пластической деформации называется наклепом или упрочнением.
Структура холоднодеформированного металла характеризуется анизотропией (неравенством) механических свойств в различных направлениях.
В процессе пластической деформации одновременно с образованием строчечной структуры и текстуры деформации металл приобретает также волокнистое строение. Волокнистое строение наблюдается в виде тонких полос, представляющих собой вытянутые в направлении наибольшего течения металла неметаллические включения или зоны металла, содержащие повышенное количество примесей (рис. 4, б, в). Если строчечная структура может быть обнаружена только под микроскопом, то волокнистое строение наблюдается невооруженным глазом. Очевидно, что однородный металл, в котором отсутствуют примеси, после деформации не будет иметь волокнистого строения.
При вполне определенной для каждого металла максимальной величине пластической деформации в них возникают микропоры и микротрещины. При дальнейшем деформировании трещины развиваются, растут и приводят к разрушению металла. Таким образом, для каждого металла существует предельно допустимая величина пластической деформации, которая характеризует пластические свойства металла.
Пластические свойства зависят от условий деформирования: температуры обрабатываемого металла, схемы нагружения (сжатия, растяжения), степени и скорости деформации и др.
В производственных условиях большинство металлов и сплавов обрабатывают давлением в предварительно нагретом состоянии, поскольку с увеличением температуры пластичность металла увеличивается, а сопротивление деформированию снижается. В зависимости от температуры обработки деформация может быть холодной, неполной горячей и горячей. В отличие от холодной пластической деформации, подробно рассмотренной выше, при неполной горячей деформации происходит частичное восстановление искаженной кристаллической структуры и уменьшение остаточных напряжений в металле. Объясняется это некоторым повышением активности атомов, поскольку рассматриваемая деформация осуществляется при повышенной температуре, примерно при Т = (0,25...0,3)Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления металла. Следует отметить, что при неполной горячей деформации металл, хотя и в меньшей степени, чем при холодной, но все же несколько упрочняется и приобретает строчечную и волокнистую структуру.
Горячая пластическая деформация характеризуется тем, что в деформируемом металле протекает процесс рекристаллизации. Рекристаллизация - это явление возникновения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. На рис. 5, а представлена фотография микроструктуры холоднодеформированного металла и его структуры после рекристаллизации (рис. 5, б). Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру, и упрочнение металла не наблюдается. Температура, при которой происходит процесс рекристаллизации, называется температурой рекристаллизации. Установлено, что для чистых металлов температура рекристаллизации Трек ≥ 0,4Тпл.
В отличие от неполной горячей, при горячей пластической деформации строчечная структура ликвидируется, а волокнистое строение металла сохраняется, так как вытянутые в момент деформирования неметаллические включения рекристаллизации не подвергаются.
