Упругая и пластическая деформация

Упругая и пластическая деформация

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил.

Внешние и внутренние силы приводят к возникновению в сечении тела напряжений.

Напряжением называется сила, приходящаяся на единицу площади сечения тела.

Под действием осевых растягивающих сил Р (рисунке 13) в плоскости  m-n действуют нормальные растягивающие напряжения:

σ = P/F    (H/м2 , МПа, кгс/мм2),

где F -площадь поперечного сечения.

В произвольно выбранной плоскости mi-ni площадь сечения Fa=F/Сos a, действующая сила в этом сечении Рa=Р × Cos a, нормальные напряжения

σa = Pa / Fa = σ × Cos2a, касательные напряжения τa=1/2 × σ × Sin2a.

Касательные напряжения τa, обращаясь в нуль в продольных и поперечных сечениях, имеют наибольшее значение на площадях, наклоненных под углом 450 к оси растянутого стержня: τmax = σ/2.

Рисунок 13 - Схема образования растягивающих нормальных (σ) и касательных (τ) напряжений

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

Она не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла, происходит незначительное по величине и обратимое изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла (рисунке 14). С увеличением межатомных расстояний значительно возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжений под действием сил притяжения атомы возвращаются в исходное положение и упругая деформация исчезнет. Нормальные напряжения могут вызвать только упругую деформацию.

а- ненапряженная решетка; б- упругая деформация;
в, г- хрупкое разрушение путем отрыва
Рисунок 14 - Схема упругой деформации и хрупкого разрушения:

Если нормальные напряжения достигают величины сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва.

Пластической, или остаточной, называется деформация, остающаяся после прекращения действия сил, вызвавших ее.

В кристаллической решетке металла (рисунок 15) происходит необратимое перемещение атомов. После снятия напряжений в теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров, причем сплошность тела не нарушается.

а- ненапряженная решетка; б- деформация под действием касательных напряжений; в- пластическая деформация, напряжения сняты;
г- вязкое разрушение путем среза; mm- плоскость сдвига (среза)
Рисунок 15 - Схема пластической деформации вязкого разрушения под действием касательных напряжений

Необратимое смещение атомов на параметр решетки происходит под действием касательных напряжений. В кристаллической решетке сдвиг (скольжение) происходит по плоскостям и в направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов. Эти плоскости называются плоскостями сдвига, или скольжения. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла. Наиболее легкий сдвиг по этим плоскостям и направлениям объясняется тем, что при этом величина перемещения атомов из одного устойчивого равновесного положения в узле решетки в другое такое же положение будет минимальной, а следовательно, необходимое касательное напряжение - наименьшим. В результате развития пластической деформации происходит разрушение путем среза.

Для одновременного перемещения атомов в плоскости сдвига требуется очень большое напряжение, которое в сотни и тысячи раз превышает реальное сопротивление сдвигу (таблица 1).

Таблица 1 - Теоретическое и реальное сопротивление сдвигу для пластической деформации некоторых металлов

Металл Сопротивление сдвигу, МПа

теоретическое реальное
Железо
Алюминий
Медь
2300
1900
1540
29
1,2...2,4
1,0

Расхождения между теоретическим и реальным сопротивлением сдвигу, или между теоретической и реальной прочностью при пластическом деформировании, было объяснено дислокационным механизмом пластической деформации. Для перемещения дислокаций (рисунок 16) требуется лишь незначительное перемещение атомов, и пластическая деформация совершается при небольшой величине касательных напряжений, что и соответствует экспериментальным данным.

При выходе дислокации на поверхность металла она перестает существовать, но процесс пластической деформации сопровождается не только движением дислокаций, но и их зарождением. Источниками новых дислокаций могут быть вакансии, дислоцированные атомы, границы блоков и зерен, сами дислокации, не способные перемещаться.

Пластическая деформация поликристалла принципиально идет по тому же механизму, что и рассмотренного выше монокристалла, но имеет некоторую особенность. В поликристаллическом металле зерна, а следовательно, и плоскости легкого скольжения имеют разную ориентировку.

                        в                         б                           а

а – начало движения дислокации; б – промежуточное положение; в - выход дислокации на поверхность металла
Рисунок 16 - Схема движения дислокации под действием касательных
напряжений

Вследствие влияния соседних зерен деформирование каждого зерна не может совершаться свободно и начнется, когда напряжения превысят предел упругости. Сначала пластическая деформация может происходить лишь в отдельных зернах, у которых плоскости легкого скольжения совпадают с направлением максимальных касательных напряжений (под углом 450 к направлению приложенных сил). Кроме сдвига происходит и поворот частей зерна. При повороте плоскостей сдвиг облегчается. Смещение и поворот зерна приводит к повороту других зерен, в которых начинается процесс пластической деформации (рисунок 17).

В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно (рис. 18, а) постепенно вытягивается в направлении растягивающих сил и образуется характерная ориентированная волнистая структура (рисунок 18, б), которая называется текстурой. В этом состоянии металл имеет резко выраженную анизотропию свойств, т.е. неоднородность свойств вдоль и поперек волокон. Так, вдоль волокон металл прочнее, чем в поперечном направлении.

Рисунок 17 - Схема возможных направлений плоскостей сдвига в зернах металла а - до деформации; б - после формации

Рисунок 18 - Схема пластической деформации зерна и изменение микроструктуры металла