Из этого материала вы узнаете:
- Природа деформации металлов
- Упругая деформация металлов
- Пластическая деформация металла
- Разрушение металла при деформации
Деформация металла происходит под воздействием внешних факторов природного или антропогенного характера. Этот процесс используется в промышленности для придания заготовке необходимых параметров.
Существует несколько видов деформации, которые влияют на конечные изменения в изделии. В нашей статье расскажем, какова природа этого процесса, разберем его виды и применимость в производственных вопросах.
Природа деформации металлов
Деформация предполагает изменение формы и габаритов изделия. Чтобы добиться нужного эффекта, металл можно растянуть, сжать, скрутить, загнуть. Для этих целей используют специальные инструменты и процессы, например, повышение температуры для деформации металла.
К деформации приводит даже небольшое силовое воздействие. Растяжение изделия вызывает увеличение расстояния между атомами, тогда как на фоне сжатия наблюдается обратный процесс.
При обработке металла важно учитывать, что пластическая деформация способна спровоцировать кардинальное изменение характеристик. Она может наблюдаться даже в тех случаях, когда изделие имеет повышенную твердость, но была превышена предельная нагрузка.
Каждый металл обладает своим показателем предела упругости, поэтому при подборе необходимого воздействия учитывают свойства конкретного материала. Наиболее пластичными и лучше всего поддающимися деформации считаются металлы с кубической кристаллической решеткой.
Статичная нагрузка вызывает медленные изменения металла, которые специалисты обозначают как ползучесть. Повышение температуры воздействия приводит к ускоренному протеканию подобных процессов.
Деформация, осуществляемая на фоне высокой температуры, называется горячей деформацией металла. Она применяется при производстве крупных изделий и предполагает полную рекристаллизацию.
Изменить характеристики заготовки позволяет и холодная деформация металла, которая протекает при температуре, не достигающей уровня рекристаллизации. Она способствует повышению прочности материала, однако подходит исключительно для изделий малого сечения, таких как проволока.
Деформация возможна и без специального воздействия – именно в таком виде она распространена в природе. То есть внешний вид, прочность и другие характеристики металла меняются под действием естественных факторов, к которым человек не имеет никакого отношения.
Упругая деформация металлов
При данном виде деформации металла происходит изменение формы, а после прекращения воздействия изделие принимает прежний внешний вид. Такой эффект достигается при приложении силы, не превышающей предел упругости или модуль Юнга. Благодаря данному физическому свойству после снятия нагрузки заготовки из эластичных материалов возвращаются к первоначальным размерам.
Иными словами, упругая деформация металлов является обратимой и непостоянной. Чаще всего она сопровождается малыми изменениями формы, а упругое поведение обычно является линейным.
При упругой деформации происходит временное растяжение, искривление связей между атомами. Так, изгиб листа из стали приводит к тому, что все дислокации и связи в металле изгибаются или растягиваются всего на несколько процентов. При этом манипуляция не вызывает относительного перемещения атомов. Причиной подобной деформации может быть приложение внешних сил сдвига, провоцирующих соответствующее напряжение растяжения или сжатия.
Благодаря упругой деформации все связи в материале восстанавливаются после напряжения. Постепенно данные свойства металла ослабевают, иногда он даже утрачивает пластичность, становится хрупким.
Например, подобные перемены наблюдаются у олова: его пластичность снижается при резких скачках температуры, происходят аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот – в Средневековье такие процессы носили название оловянной чумы. Нередко снижение эластичности объясняется воздействием химических веществ.
Повысить эластичность или пружинистость стали удается за счет увеличения доли углерода. Поэтому рессоры для автомобилей изготавливаются из марок сталей, в которых содержится минимум 0,62–0,7 % данного компонента – этот показатель установлен ГОСТ 14959-2016. Кроме того, добиться необходимой упругости металла позволяет увеличенное содержание в нем марганца и кремния.
Пластическая деформация металла
Данный тип деформации металла объясняется процессами кристаллографической природы, а именно скольжением, двойникованием, межзеренным перемещением. Остановимся на них более подробно:
Процесс скольжения
Под действием касательных напряжений одна часть кристалла смещается относительно другой. Пока изменения наблюдаются в пределах одного кристалла, их обозначают как линейную дислокацию. Когда на поверхности кристалла образуется ступенька размером в один период решетки, значит, изменения начали распространяться по материалу.
В результате повышается напряжение, перемещаются новые атомные плоскости, появляются дополнительные ступеньки единичных сдвигов. Продвижение дислокации не сопровождается разрывом всех межатомных связей в зоне плоскости скольжения – они нарушаются лишь по краю дислокации.
Согласно современной теории:
- скольжение распространяется последовательно в плоскости сдвига;
- данный процесс деформации металла возникает в месте нарушения решетки – эта область появляется в результате воздействия нагрузки на кристалл.
К свойствам металла относится теоретическая прочность, которая позволяет описать сопротивление пластической деформации. Она зависит от сил связей между атомами в кристаллических решетках, при этом значительно превосходит реальный уровень прочности. Например, железу свойственны:
- 30 кг/мм – реальная прочность;
- 1 340 кг/мм – теоретическая прочность.
Столь значительная разница в показателях объясняется тем, что при движении дислокации нарушаются связи только у края, а для этого необходимы меньшие усилия.
Процесс двойникования
В кристалле появляются зоны с закономерно измененной ориентацией структуры. Двойникование приводит к незначительной деформации металла.
Читайте также: Хранение электродов и восстановление покрытия
Причиной формирования такого образования являются:
- зеркальная переориентация структуры материнского кристалла в определенной плоскости;
- поворот матрицы на некоторый угол вокруг кристаллографической оси.
Процессы могут происходить в металлах, которые обладают кристаллическими решетками двух типов:
- гексагональной – ею характеризуется магний, цинк, титан, кадмий;
- объемно-центрированной – присутствует у железа, вольфрама, ванадия, молибдена.
Склонность к двойникованию возрастает с ростом скорости деформации металла и снижением степени нагрева.
У алюминия, меди, как у металлов с кубической гранецентрированной решеткой, такие перемены наблюдаются в результате отжига заготовки, прошедшей стадию пластического деформирования.
Процесс межзеренного перемещения
Подобное изменение структуры проявляется в результате растягивания и запускается в зерне, где направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. В результате зерно растягивается. Находящиеся в непосредственной близости зерна разворачиваются и деформируются, как только направление легкого скольжения в них совмещается с направлением силы.
В итоге после такой деформации структура металла становится волокнистой, а механические характеристики материала определяются вектором воздействия:
- пластичность выше в направлении, в котором прикладывалось растягивающее усилие;
- прочность заметнее проявляется поперек приложения усилия, а в продольном направлении показатели ниже.
Данную разницу в свойствах, проявившуюся в результате процесса деформации металла, обозначают как анизотропия.
Разрушение металла при деформации
Высокие напряжения являются причиной более активной деформации и даже разрушения металлов. Последний процесс протекает из-за растрескивания материала: зародившаяся трещина распространяется через сечения, вызывая окончательное разрушение.
Причина образования трещины – в сосредоточении дислокаций, находящихся в движении, перед препятствием. Это приводит к тому, что напряжение возрастает до уровня, при котором металл трескается. Когда трещина достигает критического размера, она развивается произвольно.
При хрупком разрушении образуются острые, разветвленные трещины, которые стремительно разрастаются. Процесс протекает моментально, отличается низкой энергоемкостью, а работа распространения трещины оказывается практически на нулевом уровне.
Еще одна причина появления трещин связана с транскристаллитным и хрупким интеркристаллитным разрушением. Тогда трещины распространяются по телу зерна или по границам зерен соответственно.
Хрупкое разрушение приводит к формированию блестящего кристаллического излома, обладающего ручьистым строением. Он имеет плоскость, перпендикулярную нормальным напряжениям. Трещина распространяется в нескольких плоскостях, расположенных параллельно.
Причиной вязкого разрушения является срез, который происходит в результате воздействия касательных напряжений. Данному процессу всегда предшествует значительная пластическая деформация металла.
Тупая раскрывающаяся трещина имеет перед собой обширную пластическую зону и распространяется с малой скоростью. Также ее характеризуют высокие показатели энергоемкости, которые объясняются затратами энергии на формирование поверхностей раздела. Излом получается неровный, матовый, а его плоскость находится под определенным углом.
Рекомендуем статьи
Определить уровень пластичности металла можно, сравнив его предельные показатели прочности и текучести. Большая разница между ними говорит о высокой пластичности. Хрупким металлам свойственны практически одинаковые данные показатели, поэтому их разрушение протекает без пластической деформации.
Пределы текучести и прочности могут иметь одинаковые значения, если металл нагрет до значительной температуры.
Важно четко представлять себе причины и принципы деформации металлов и их разрушения, чтобы добиться безопасной эксплуатации объектов строительства и надежного функционирования механизмов. Благодаря достаточному объему знаний и постоянному изучению этой темы удается избегать ошибок, подбирать оптимальные способы решения актуальных вопросов.
