Деформация металла

Деформация представляет собой процесс изменение формы и габаритов металла. металл деформируется как изнутри, так и снаружи в виде сжатия, растяжения, изгиба или кручения из-за силы, прилагаемой человеком, с помощью инструментов, станков, оборудования или в результате факторов природного характера, например, повышения температуры. Деформация металла изучается кристаллографией, материаловедением, физикой твердого тела. Этот процесс используется в промышленности для придания материала необходимых параметров. В процессе анализа причин деформации и специалисты предлагают способы их исключения во время работы во избежание большого количества брака.

Природа деформации металлов

Деформация происходит даже из-за небольшого силового воздействия, в результате которого увеличивается расстояние между атомами, а при сжатии наоборот. нарушение равновесия атомов влияет на силу притяжения и электростатического отталкивания. Сила может воздействовать на металл, под разным углом, следовательно, напряжение металла будет нормальным или касательным. Образование нормальных и касательных напряжений при приложении силы к площади и эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений. После снятия нагрузки сжатие или растяжение металла может возвратиться к начальному параметру и прежней форме, либо не измениться.

Деформация считается пластической, когда следы внешнего воздействия остаются и деформация металла носит необратимый характер. Как правило, пластическая деформация металлов и сплавов связана с касательным напряжением. Из-за превышения предельной нагрузки пластическая деформация может изменить характеристики даже у изделий с повышенной твердостью. Подбирая уровень воздействия, учитывается предел упругости конкретного металла. Самые пластичные металлы, которые лучше всего деформируются считаются имеют кубическую кристаллическую решетку.

Металл медленно изменяется при статичной нагрузке, такое явление называют ползучестью. С повышением температуры подобные процессы протекают быстрее. Деформацию при высокой температуре из-за рекристаллизации металла называют горячей и применяют на крупном производстве. Изменение характеристик металла происходит и на фоне холодной деформации, протекающей при температуре, не достигающей уровня рекристаллизации. Она повышает прочность изделий малого сечения, как проволока.

Изменение внешнего вида, прочности и других характеристик металла возможно из-за природных факторов. Для металлов характерно снижение сил упругости, а в некоторых условиях металл может стать хрупким и потерять пластичность. Из-за утраты пластичности при напряжении стальная деталь может треснуть, например, олово. Быстрые перепады температур - процессы нагрева и охлаждения снижают эластичность металла.

На повышение эластичности металла оказывает влияние:

• Увеличение содержания углерода;
• Добавление легирующих компонентов: марганец, кремний.

Поэтому для производства механических и ручных инструментов, деталей оборудования, машин применяется углеродистая сталь с содержанием углерода не менее 0,7%.

Упругая и пластическая деформация металлов

Упругая деформация исчезает после нагрузки благодаря незначительному смещению атомов без изменения свойств и структуры металла. упругая деформация полностью исчезают при снятии приложенных внешних сил, не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

Металлическое изделие принимает первоначальный внешний вид после прекращения воздействия, если сила не превышает предел упругости или модуль Юнга. Это свойство позволяет после снятия нагрузки материалам возвращаться к прежним размерам. То есть, упругая деформация металлов, сопровождаемая линейными изменениями формы-процесс обратимый и непостоянный, потому что связи в материале восстанавливаются после нагрузки.

Причиной деформации металла может стать даже незначительное напряжение. деформация всегда упругая в начале воздействия и до определенных значений. Прочность, пластичность и упругость – это основные механические свойства металла.

В основе способов изготовления изделий при обработки давлением находятся характеристики пластической деформации, которые зависят от пластичности. Из-за повышенной пластичности металлов снижается чувствительность к дефектам внутри и снаружи изделия. Поэтому в процессе производства проводится сравнительный анализ для контроля качества изделий.

Пластическая деформация металла объясняется процессами кристаллографической природы, а именно скольжением, двойникованием, межзеренным перемещением.

Процесс скольжения

Межкристаллитная деформация осуществляется путем поворота, перемещения одних зерен относительно других. изменения в пределах одного кристалла имеют линейную дислокацию. Когда на поверхности кристалла образуется ступенька размером в один период решетки, значит, изменения начали распространяться по материалу. Это приводит к повышению напряжения, перемещению новых атомных плоскостей, появлению дополнительных ступенек единичных сдвигов без разрывов всех межатомных связей в плоскости скольжения, только по краю дислокации. В зависимости от величины этих напряжений в поверхностном слое металла происходят упругие, упругопластические или пластические деформации.

Согласно современной теории:

• В плоскости сдвига наблюдается последовательное скольжение;
• Процесс скольжения появляется в месте нарушения решетки металла из-за нагрузки на кристалл.

В зависимости от марки и состава стали принято два типа прочности: реальная, теоретическая. С помощью теоретической прочности можно описать сопротивление пластической деформации. теоретическая прочность- свойство металла, зависящее от силы межатомных связей в кристаллических решетках, которое значительно превосходит реальную прочность. Например, у железа значение реальной прочности составляет 30 кг/мм, при этом теоретическая прочность равна 1 340 кг/мм.

Такая разница заключается в нарушенных связях только у края, где движения дислокации происходят с меньшими усилиями.

Процесс двойникования

Часть кристалла незначительно сдвигается в противоположном направлении областей, оставшихся неизмененными. Разные механизмы двойникования появляется из-за:

• Зеркальной переориентации структуры материнского кристалла в определенной плоскости;
• Поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Двойникование характерно для кристаллов с:

• Гексагональной решеткой (магний, кадмий, титан, цинк);
• Объемно-центрированной решеткой (железо, молибден, ванадий, вольфрам).

Двойникование возрастает с увеличением деформации и снижением температуры. У меди и алюминия гранецентрированная решетка, и двойникование появляется вследствие отжига заготовки, которое возникает из-за пластического деформирования.

Процесс межзеренного перемещения

Изменение структуры в связи с растягиванием в зерне, где легкое скольжение и нагрузка действуют в одном направлении. при этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы неодинаково, и поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме поликристалла.

Такая деформация делает структуру металла волокнистой, а механические свойства зависят от вектора воздействия:

• Пластичность увеличивается в месте растягивающего усилия;
• Прочность заметнее в поперечном направлении приложения усилия, чем вдоль;
• Разные свойства металла из-за деформации, называются анизотропией.

Виды холодной деформации металла

С помощью холодной деформации можно сохранить деформированную структуру материала в результате обработки давлением и не утратить повышенную прочность металла после пластической деформации.

Способами холодной деформации металлов являются:

• Холодная прокатка;
• Волочение;
• Холодная листовая штамповка.

Однако эти методы требуют большого количества энергии, применения качественного промышленного оборудования, так как рабочий инструмент будет быстро изнашиваться, поэтому в чистом виде используются нечасто. Холодная деформация ухудшает пластичность металлов, а твердость повышает. физические и механические свойства изменяются из-за глубоких структурных преобразований. Деформированный металл становится хрупким, в результате деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление, а также улучшается растворимость в кислотах. Холодная деформация приводит к упрочнению металла в результате самопроизвольного возникновения «наклепа», который всегда прямо пропорционален значению холодной деформации, то есть чем она выше, тем больше наклеп. Устойчивость наклепа обеспечивается за счет низких температур.

Стадии разрушения металла в процессе деформации

Из-за высоких напряжений усиливается деформация, в результате появляются трещины, которые разрушают металлы в случае распространения. Из-за критического размера трещины, ее рост происходит произвольно. При хрупком разрушении появляется острая и разветвленная трещина, разрастающаяся с огромной скоростью. К образованию трещин приводит транскристаллитное разрушение, распространяющееся по телу зерна и хрупкое интеркристаллитное разрушение – по границам зерна. Для хрупкого разрушения характерен блестящий кристаллический излом ручьистого строения с распространением по нескольким плоскостям перпендикулярным нормальному напряжению. Вязкое разрушение в виде среза возникает при пластической деформации из-за касательных напряжений. Перед тупой раскрывающейся трещиной с медленным распространением и высокой энергоемкостью возникает большая пластическая зона. Плоскость неровного, матового излома обычно расположена под определенным углом. Для определения уровня пластичности металла сопоставляются предельные значения прочности и текучести. Чем больше разница, тем выше пластичность. У хрупких металлов эти показатели прочности и текучести почти равные, поэтому разрушение практически не связано с пластической деформацией. Пределы текучести и прочности могут совпасть из-за нагрева металлов до высоких температур.

Знание причин и механизмов деформации и разрушения металлов помогает для безопасности возводимых конструкций и надежности работы механизмов, а также при производстве деталей, заготовок из стали.