Пластическая деформация металлов это

Что такое пластическая деформация металлов

Пластическая деформация металлов отличается от упругой тем, что после снятия нагрузки материал сохраняет измененную форму. При упругой деформации атомы смещаются незначительно и возвращаются в исходное положение, тогда как пластическое деформирование вызывает необратимое перемещение целых слоев атомов относительно друг друга.

Ключевое отличие пластической деформации заключается в том, что она происходит при превышении предела текучести материала. В этот момент касательные напряжения достигают критической величины, и начинается процесс внутрикристаллического сдвига. Металл при этом не разрушается, а изменяет свою геометрию с сохранением сплошности.

Основные характеристики процесса

Пластическая деформация характеризуется несколькими важными параметрами. Степень деформации показывает относительное изменение размеров заготовки и рассчитывается как отношение абсолютного изменения к исходному размеру. Скорость деформации определяет интенсивность процесса и влияет на конечные свойства материала.

Температурный режим играет критическую роль в пластическом деформировании. При комнатной температуре большинство металлов демонстрируют ограниченную пластичность, тогда как нагрев существенно расширяет возможности формоизменения без разрушения. Это связано с повышением подвижности атомов и активацией дополнительных механизмов деформации.

Механизм пластической деформации на атомном уровне

Дислокационная теория деформации

Современное понимание механизма пластической деформации основано на дислокационной теории. Дислокации представляют собой линейные дефекты кристаллической решетки, где нарушен правильный порядок расположения атомов. Существуют краевые дислокации, образующиеся при внедрении дополнительной атомной плоскости, и винтовые дислокации, связанные со спиральным искажением решетки.

Перемещение дислокаций требует значительно меньших напряжений, чем одновременный сдвиг всех атомов в плоскости скольжения. Теоретическая прочность идеального кристалла составляет около 130000 МПа для железа, но реальные значения находятся в диапазоне 200-300 МПа. Эта разница в несколько сотен раз объясняется именно наличием дислокаций, облегчающих процесс деформации.

Скольжение и двойникование

Пластическая деформация реализуется двумя основными механизмами. Скольжение является преобладающим процессом, при котором одна часть кристалла смещается относительно другой вдоль определенных кристаллографических плоскостей. Эти плоскости скольжения характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов и минимальным сопротивлением сдвигу.

Двойникование представляет собой поворот одной части кристалла в зеркально симметричное положение относительно другой части. Этот механизм более характерен для металлов с объемно-центрированной и гексагональной решетками. Двойникование активизируется при низких температурах и высоких скоростях деформации, когда скольжение затруднено.

Упрочнение металла при пластической деформации

Деформационное упрочнение, или наклеп, является неизбежным следствием пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Плотность дислокаций возрастает с 10⁷-10⁸ см⁻² в отожженном металле до 10¹¹-10¹² см⁻² после значительной деформации. Увеличение количества дислокаций приводит к их взаимному торможению и повышению сопротивления дальнейшей деформации.

Изменение механических свойств

При холодной деформации прочностные характеристики металла существенно возрастают. Предел прочности может увеличиваться в полтора-два раза, твердость повышается на 30-50 процентов. Одновременно происходит снижение пластичности материала, относительное удлинение и сужение уменьшаются, металл становится более хрупким.

Степень упрочнения зависит от природы металла и величины деформации. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой упрочняются сильнее, чем материалы с объемно-центрированной структурой. Это связано с различным характером распределения дислокаций и их взаимодействия в разных типах решеток.

Виды обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением объединяет группу технологических процессов, основанных на использовании пластической деформации. Эти методы позволяют получать изделия требуемой формы без нарушения сплошности материала и с улучшением его механических характеристик.

Прокатка

Прокатка является наиболее производительным методом обработки давлением, на ее долю приходится до 80 процентов всей выплавляемой стали. Процесс заключается в обжатии заготовки между вращающимися валками. Различают продольную прокатку, при которой валки вращаются в противоположных направлениях, поперечную прокатку для получения тел вращения и поперечно-винтовую для изготовления полых заготовок.

Ковка и штамповка

Свободная ковка выполняется с использованием универсального инструмента — бойков, между которыми заготовка может свободно перемещаться. Этот метод применяется для единичного и мелкосерийного производства крупных деталей массой до 300 тонн. Объемная штамповка осуществляется в специальных штампах, ограничивающих течение металла и обеспечивающих высокую точность размеров.

Прессование и волочение

При прессовании металл выдавливается из замкнутого контейнера через отверстие матрицы под действием пуансона. Этот метод позволяет получать сложные профили из труднодеформируемых материалов. Волочение представляет собой протягивание заготовки через постепенно сужающееся отверстие, что обеспечивает получение проволоки, прутков и труб высокой точности.

• Прокатка обеспечивает производство листов, полос, профилей и труб с высокой производительностью
• Ковка применяется для изготовления уникальных крупногабаритных деталей
• Штамповка позволяет получать детали сложной формы в массовом производстве
• Прессование используется для обработки цветных металлов и специальных сплавов
• Волочение дает возможность производить проволоку диаметром в несколько микрон

Изменение структуры металла при деформации

Пластическая деформация вызывает глубокие изменения в микроструктуре металла. При небольших степенях деформации зерна сохраняют равноосную форму, но внутри них происходит перестройка дислокационной структуры. С увеличением степени деформации зерна вытягиваются в направлении течения металла, образуя волокнистую структуру.

Текстура деформации

При значительных степенях деформации формируется текстура — преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей зерен в определенном направлении. Это приводит к анизотропии механических и физических свойств материала. В одних направлениях прочность повышается, в других может снижаться, что необходимо учитывать при проектировании изделий.

Холодная и горячая деформация

Температурный режим деформации определяет характер структурных изменений. Холодная деформация проводится при температуре ниже 0,3 от температуры плавления металла. При этом накапливаются дефекты кристаллической решетки, происходит упрочнение материала, но его пластичность снижается. Рекристаллизация не успевает протекать в процессе деформации.

Горячая деформация осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации (обычно 0,7-0,75 от температуры плавления). В этих условиях процессы разупрочнения происходят одновременно с деформацией, искаженная структура замещается новыми равноосными зернами. Металл сохраняет высокую пластичность, что позволяет достигать больших степеней деформации без разрушения.

Рекристаллизация деформированного металла

Рекристаллизация представляет собой процесс образования новых неискаженных зерен за счет деформированной структуры при нагреве металла. Этот процесс позволяет устранить наклеп и восстановить пластичность материала. Температура начала рекристаллизации для технически чистых металлов составляет примерно 0,4 от температуры плавления.

Стадии процесса рекристаллизации

Первичная рекристаллизация характеризуется зарождением новых центров кристаллизации в наиболее искаженных участках деформированной структуры. Эти центры возникают преимущественно на границах зерен и в местах скопления дислокаций. Новые зерна растут, поглощая деформированную матрицу, что приводит к формированию мелкозернистой структуры.

Собирательная рекристаллизация начинается после завершения первичной стадии. Происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других, средний размер зерна увеличивается. Движущей силой процесса является стремление системы к уменьшению поверхностной энергии границ зерен.

Вторичная рекристаллизация отличается тем, что только отдельные зерна приобретают способность к интенсивному росту. Это может привести к формированию крупнозернистой структуры, что не всегда желательно с точки зрения механических свойств.

Влияние степени деформации

Существует критическая степень деформации, ниже которой рекристаллизация практически не происходит. При деформации на критическую величину образуется малое количество центров рекристаллизации, что приводит к резкому росту зерна при нагреве. Закритические степени деформации обеспечивают зарождение множества центров и формирование мелкозернистой структуры после отжига.