Микроскопическая картина пластической деформации. Линии и пачки скольжения

Пластическая деформация кристаллов, наблюдаемая под микроскопом, проявляется в форме сдвигов по кристаллографическим плоскостям (плоскостям сдвига), характеризующимся наиболее плотным распределением атомов.

Сдвиги в виде полос скольжения являются результатом нахождения большого числа одинаковых дислокаций в близко расположенных плоскостях скольжения. При деформировании линейные дислокации движутся по многочисленным параллельным линиям, образующим пачки скольжения.

В поликристаллах основным препятствием, перед которым накапливаются дислокации, являются границы зерен. В сплавах границы зерен второй фазы представляют настолько прочный барьер, что дислокации прорваться через него не могут, однако давление скопившихся дислокаций так искривляет граничных слой, что по ту сторону его может быть возбужден новый источник дислокаций. Микроскопически это равносильно распространению сдвига в соседнем зерне.

Скольжение в кристалле всегда сопровождается поворотом этого кристалла, в результате которого действующие плоскости и направления скольжения достигают ориентировки параллельной главной оси деформации.

Задержка движущихся дислокаций у какого-либо препятствия может вызвать поворот и искривление кристаллической решетки, вызывающее соответствующее искривление поверхности скольжения.

При пластической деформации вдоль плоскостей скольжения решетка металла распадается на блоки разной величины, которые повернуты друг к другу под весьма малыми углами (блоки мозаики),

8. Кристаллитные напряжения (Остаточные напряжения второго рода)

Кристаллитные напряжения (или по классификации Н.Н. Давиденкова, напряжения второго рода) уравновешиваются в пределах отдельных зерен поликристалла, состоящих из отдельных блоков мозаики, или состоящих из различно ориентированных кристаллитов с правильным строением атомной решетки.

Пластическая деформация поликристалла, протекающая в отдельных кристаллитах неравномерно, вызывает появление кристаллитных напряжений по следующим причинам: различные кристаллиты, входящие в кристаллические зерна металлов обладают различной величиной модуля упругости; деформируемость одного и того же кристаллита по разным кристаллографическим осям различна.

Способность деформироваться определяется величиной модуля упругости первого и второго рода (Е и G), величина которых в металлических кристаллах изменяется в различных кристаллографических направлениях очень значительно.

В связи с этим даже при равномерном распределении в кристаллических зернах однородных кристаллитов разные зерна будут иметь по направлению действующей силы разные значения модуля упругости. Так как вследствие связи между отдельными элементами происходит их совместная деформация, то напряжения в них будут не одинаковы. Пластическая деформация поликристаллов распределяется в микрообъёмах неравномерно (даже при однородном поле напряжений). В результате этого, если в отдельных кристаллитах имеет место пластическая деформация, то при разгрузке, вокруг этих кристаллитов появляется зона остаточных напряжений второго рода.

Напряжения второго рода, возникают также при фазовых превращениях металла, вызывающих изменение объёма отдельных кристаллитов. Напряжения между различными по фазовому состоянию кристаллитами возникают независимо от ориентации последних - упорядоченной или беспорядочной. В перлите напряжения этого происхождения порядка 75 МПа.

В закалённой малоуглеродистой стали обнаружено напряжение второго рода порядка 500-600 мПа, а в высокоуглеродистой - до 1600 мПа.

Кристаллитные напряжения (напряжения второго рода), уравновешивающиеся в объёме кристаллического зерна, то есть в микроскопической области, и искажения кристаллической решётки (напряжения третьего рода), развивающиеся в отдельных зонах кристаллической решётки, то есть в субмикроскопической области, в научно-технической литературе часто характеризуются общим термином микроскопические напряжения.

При обработке металлов резанием в поверхностном слое происходит дробление, поворот и вытягивание кристаллических зерен в направлении деформирующей силы и формирование текстуры деформации, придающей структуре видимость волокнистого строения.

9. Макронапряжения. (Остаточные напряжения первого рода)

В результате пластической деформации металла поверхностного слоя при механической обработке, фазовых превращений металла и вследствие тепловых воздействий в этом слое формируются макроскопические остаточные напряжения (остаточные напряжения первого рода), уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами тела.

Макронапряжения развиваются в тех наиболее частых случаях, когда степень пластической деформации неоднородна по всему поперечному сечению деформируемого металла. Когда внешняя нагрузка, вызывающая деформацию, снимается, участок металла, растянутый больше других и претерпевший пластическую деформацию, не даёт соседним областям полностью вернуться в состояние после упругого растяжения, которому они первоначально подвергались, в результате чего в обоих участках возникают остаточные напряжения разного знака. Область, первоначально наиболее растянутая, оказывается в состоянии остаточного сжатия, а смежная с ней, в состоянии растяжения.

Изложенные материалы позволяют сделать краткие выводы, которые приводятся ниже.

1. Пластическая деформация осуществляется путём движения волн дислокаций по плоскостям скольжения с их выходом на поверхность кристаллов и образованием соответствующих ступенек сдвига. Происходящее при этом генерирование новых дислокаций, вовлекаемых в общее движение, увеличивает объём и степень пластической деформации. При этом происходит: а) изменение формы деформируемых заготовок, а также дробление, поворот и вытягивание зерен их поликристаллов с образованием текстуры деформации; б) возникновение полос (пачек) скольжения с формированием кристаллических блоков различных размеров и их дальнейшим дроблением и взаимным вращением; в) искажение кристаллической решетки и искривление плоскостей скольжения.

Пластическая деформация сопровождается деформационным упрочнением (наклепом) металла и изменением некоторых его физических и химических свойств. Деформационное упрочнение (наклёп) является атермическим процессом и определяется степенью пластической деформации металла, зависящей от величины и продолжительности воздействия деформирующей внешней силы. Степень деформационного упрочнения повышается: а) при увеличении плотности дислокации в процессе деформации металла и торможения их перемещений в узлах пересечений дислокаций и других препятствий, нарушающих правильность строения кристаллической решётки; б) при измельчении кристаллических блоков и появлении дополнительных границ зерен, затрудняющих движение дислокаций и усиливающих эффект блокирования плоскостей скольжения одного зерна соседними зернами с другой ориентацией кристаллической решётки, в результате чего скольжение, которое началось в одном зерне, не может свободно развиваться далее и тормозится соседними зернами; в) при увеличении поверхностной энергии кристаллических блоков, связанной с их дроблением и увеличением разме­ров поперечного сечения, создающим области затрудненной деформации кристаллов; г) при формировании напряженного состояния металла в его микроскопических и субмикроскопических объёмах (образование межкристаллитных и внутрикристаллитных напряжений второго рода и искажений кристаллической решётки, определяющих величину напряжения третьего рода); д) при пластической деформации и деформационном упрочнении, сопровождающимся изменением ряда физических, химических, электрических, магнитных и иных свойств металла; в частности, они уменьшают плотность металла (при достижении степени холодной пластической деформации, равной 90 %, объём деформированного чистого железа и стали увеличивается на 5 %), снижают коррозионную стойкость металла, его магнитную проницаемость, остаточную индукцию, электропроводность и теплопроводность, повышают коэрцитивную силу и электрическое сопротивление, скорость протекания диффузионных процессов, особенно процессов, происходящих в разрыхлённой межзеренной прослойке при большой разориентации кристаллических зерен.

Изменение указанных свойств металлов может оказать существенное влияние на важные эксплуатационные свойства некоторых деталей машин, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов и режимов обработки этих деталей.