Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон

Пластическая дефармация материалов

Пластическая дефармация – успешный инструмент формирования структуры разных материалов. На ее особенностях построены технологии обработки давлением, придание материалам специальных качеств, создание наноматериалов.

Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон

Понятие деформации

Под термином «дефармация» понимаются любые изменения структуры, формы, размеров тел. Она происходит под воздействием стрессов — сил, которые работают на единицу площади сечения заготовок или деталей. Дефармация металла вызвана:

внешними силами;
усадкой;
структурными превращениями;
внутренними физико-механическими процессами.

Варианты прилагаемых к телу нагрузок:

сжатие – нагрузка прикладывается соосно в направлении к телу;
растяжение – появляется при продольном от тела приложении нагрузки (соосно или параллельно плоскости, в которой находятся крепежные точки тела);
изгиб – нарушение прямолинейности главной оси тела;
кручение – появляется при приложении к телу крутящего момента.

Механизм и виды деформирования изучаются материаловедением, физикой твёрдого тела, кристаллографией.

Твёрдые тела склонны к двум видам деформации:

В таблице приведены сравнительные характеристики данных явлений.

Показатель сравнение	Виды
Показатель сравнение	Упругая	Пластическая (конечная, необратимая)
Поведение атомов кристаллической решётки под нагрузками	· сдвигаются на промежутки меньшие, чем межатомное расстояние; · блоки кристалла поворачиваются несущественно	· перемещаются на расстояния, большие межатомных; · в структуре появляются остаточные изменения; · нет макроскопических нарушений сплошности металла
Деформирование формы и структуры после прекращения нагрузки	устраняется полностью	не убирается
Вызывается воздействием стрессов	· нормальных; · низких касательных	больших касательных
Критерии сопротивления	модуль упругости	теоретическая крепость
Результат развития	необратимость приходит, когда напряжения могут достигать предела упругости; упругая переходит в пластическую.	возможность вязкого разрушения путем сдвига.

Пластическое деформирование ведет к модификациям в структурах металлов и их сплавов, а, поэтому, к изменениям их параметров.

Механизм появления

Появление пластической деформации вызвано процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под влиянием касательных стрессов. Вырисовывается в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Данный процесс, в границах кристалла, именуется линейной дислокацией. Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности появляется ступенька, равная одному периоду решётки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Появляются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла. Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная доктрина основывается на положениях:

очередность распространения скольжения в плоскости сдвига;
место появления скольжения – это область нарушение кристаллической решётки, появляющаяся при нагружении кристалла.

Одно из параметров металла – теоретическая крепость. Ее применяют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она устанавливается силами межатомных связей в кристаллических решётках и существенно превосходит настоящую. Так для железа крепость:

30 кг/мм — настоящая;
1340 кг/мм — теоретическая.

<div style="text-align:center;"><img decoding="async" style="margin: 5px;" src="https://stankiexpert.ru/wp-content/uploads/2019/04/plasticheskaya-deformaciya-6.jpg" title="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" alt="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" /></div> </p> <p>Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.</p> <h3>Межзеренное перемещение</h3> <p>Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия. Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться. Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.</p> <p>Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:</p> <ul> <li>пластичность выше в направлении, параллельном действию растягивающего усилия, чем в перпендикулярном направлении;</li> <li>прочность имеет высокие показатели поперек приложению усилия, в продольном направлении – показатели ниже.</li> </ul> <p>Эта разница свойств называется анизотропия</p> <h2>Виды пластической деформации</h2> <p>В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:</p> <p style="clear: both"> <div style="text-align:center;"><img decoding="async" style="margin: 5px;" src="https://stankiexpert.ru/wp-content/uploads/2019/04/plasticheskaya-deformaciya-3.jpg" title="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" alt="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" /></div> <div style="text-align:center;"><img decoding="async" style="margin: 5px;" src="https://stankiexpert.ru/wp-content/uploads/2019/04/plasticheskaya-deformaciya-4.jpg" title="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" alt="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" /></div> <p></p> <p>Одно из определяющих понятий — температура рекристаллизации. Она соответствует наименьшей температуре нагрева, при которой возможно возникновение новых зерен и определяется температурой плавления металла по формуле:</p> <h3>Холодная деформация. Наклеп</h3> <p>Холодная деформация проходит при температурах, ниже t<sub>рек</sub>. В ее результате возникает искажение кристаллической структуры материала. Все зерна растягиваются в одном направлении. Растет прочность, а свойства пластичности снижаются. Это упрочнение называется наклеп (нагортовка). Он может быть:</p> <ul> <li>полезным — наклепанный слой формируется специально, например в дробеметных машинах, накатыванием поверхностей роликами или шариками, чеканкой бойками, гидроабразивными методами;</li> <li>неумышленным (вредным) – возникает при воздействии на металл существенных давлений со стороны обрабатывающего инструмента.</li> </ul> <p>Причина наклепа заключается в развороте плоскостей скольжения и усилении искажений кристаллической решетки. Упрочненный, наклепанный металл быстро вступает в химические реакции, хорошо корродирует и склонен к коррозионному растрескиванию. Деформировать его затруднительно. Но наклеп повышает свойство сопротивления усталости.</p> <p style="clear: both"> <div style="text-align:center;"><img decoding="async" style="margin: 5px;" src="https://stankiexpert.ru/wp-content/uploads/2019/04/plasticheskaya-deformaciya-7.gif" title="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" alt="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" /></div> </p> <p>В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.</p> <blockquote> <p>Устранить изменения в структуре, которые появляются при холодной деформации, возможно термообработкой (отжигом).</p> </blockquote> <p>При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.</p> <h3>Горячая деформация</h3> <p>Горячая деформация имеет такие характерные признаки:</p> <ol> <li>Температура, выше t<sub>рек</sub>.</li> <li>Материал приобретает равноосную (рекристаллизованную) структуру.</li> <li>Сопротивление материала деформированию ниже в десять раз, чем при холодной.</li> <li>Отсутствует упрочнение.</li> <li>Свойства пластичности более высокие, чем при холодной.</li> </ol> <p>Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.</p> <p>Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.</p> <p style="clear: both"> <div style="text-align:center;"><img decoding="async" style="margin: 5px;" src="https://stankiexpert.ru/wp-content/uploads/2019/04/plasticheskaya-deformaciya-8.jpg" title="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" alt="Пластическая деформация материалов методы, процесс, закон" /></div> </p> <p>Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией. Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик. Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.</p> <p>Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.</p> <p><iframe src="https://www.youtube.com/embed/MHtJLSJ8_30?feature=oembed">

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Интенсивная пластическая деформация

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

при относительно небольших температурах;
при повышенном давлении;
с высокими степенями деформации.

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

кручение (ИПДК);
разноканальное угловое прессование;
всесторонняя ковка;
мультиосевое деформирование;
знакопеременный изгиб;
аккумулированная прокатка.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования. Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.