> Техника, страница 42 > Деформация пластическая
Деформация пластическая
Деформация пластическая, деформация, остающаяся после удаления действующих на тело сил, сопряженная с относительн. перемещениями смежных между собой частиц тела. Под пластичностью понимают способность частиц сохранять в новом положении взаимное сцепление, существовавшее до процесса Д.; в этом отношении пластически деформируемое тело напоминает жидкость, характерной особенностью которой является способность составляющих ее частиц восстанавливать непрерывность жидкого тела после любых, относительных между частицами, перемещений.
Процесс протекания пластич.
Д. существенно зависит от того, является ли тело аморфным или кристаллическим. В теле аморфном атомы расположены в случайном, неорганизованном порядке, подобно тому как это имеет место в жидкости, и пластич. Д. происходит в результате множества единичных перемещений одних частиц относительно других; с этой точки зрения аморфное тело можно рассматривать как переохлажденную вязкую жидкость.В телах кристаллических атомы находятся в строго определенном взаимном расположении, определяемом свойственной данному толу кристаллической системой. В каждой системе определенные кристаллографическ. плоскости являются плоскостями наименьшего сопротивления сдвигу, поэтому пластическая Д. кристалла происходит путем одновременных сдвигов всех атомов, находящихся в одних плоскостях кристаллографической решетки, относительно атомов соседних плоскостей в направлении, также вполне предуказанном кристаллографически.
На вкладном листе, 5, показано деформированное вплоть до разрыва кристаллич. тело, состоящее в поперечном сечении из одного кристалла. На фигуре 1 схематич. показана Д. растяжения монокристаллнч. тела, кристаллография, плоскости сдвига которого наклонены под углом 45° к направлению внешнего усилия.
В нижеследующей табл, указаны кристаллографические элементы нластическ. Д. кристаллов, обозначенные индексами по Миллеру (гексагон. система—но Браве), из которых видно, что плоскостями сдвига являются те, которые наиболее густо усеяны атомами.
Кроме описанной простой деформации сдвига, кристаллы дают также при известных условиях Д. д в о и н и к о в а н и я, при которой некоторая область кристалла перебрасывается поворотом на небольшой угол в положение, симметричное с исходным. Такая деформация наблюдается, наир., при растяжении монокристалла цинка при начале образования шейки, по плоскости (1012) с углом поворота в 4°5
Кристаллографические элементы пластической д е ф о р м а ц ил кристалле в.
| Металл | Кристаллогр. система | Плоскость сдвига | Напра вле-ине сдвига | Наиболее густо усеянные атомами | |
| Плоскость | Напра вление | ||||
| о << < | Куб с центри-> рованиыми гранями | (111) | [101] | (111) | [101] |
| W
a-Fe |
i
1 Центрироваи-( ный куб 1 |
(Π2)
(101) (101) (112) (123) |
1 [Ш] | (110) | [111] |
| 7п
Сс1 |
Гексагональ ная | (0001) | [1010] | 1 (0001) 2/(1010) | [1010] |
Механическ. сторона процесса возникновения пластич. Д. в крист характери-
а о
Г
Фигура 1.
1. Разорванные образцы из алюминия: а) и 6) из отдельных кристаллов, в) крупнозернистый, г) мелкозернистый. 2. Эллипсы скольжения растянутых одиночных кристаллов: а) цинк, 0) олово, в) висмут. 3, 4, 5. Микрофотографии кристаллов, которые под действием усилий превосходящих предел упругости, разбились на параллельные плоскости (плоскости спайности). 6, 7. Микрофотографии деформированного участка и границы между деформированным и недеформированным участком поверхности конического образца Фремона.
I
8. а) Сильно наклепанный и нагретый до 215 лист Sn; большая наклепка повела к образованию большого количества кристаллов. 6) То же, согнутый по окружности R .300 сантиметров и нагретый затем до 215е; к зоне 7-мм ширины, получившей только упругую деформацию, прилегают крупные кристаллы, в) То же, но R 75 сантиметров средняя неизмененная зона уменьшилась до 2 миллиметров. г) То же, по R 21 сантиметров центральная зона исчезла, на краях появились мелкие кристаллы. 9. Лист олова, толщиною 2 миллиметров у пробит на холоду и нагрет до /с рекристаллизации 200.
1. Фигуры текучести в том же материале при пролавливании круглого отверстия. 2. Пластические деформации парафинового цилиндра, подвергнутого сжатию. За и 36. Зоны текучести у железных стержней прямоугольного сечения. 4. Фигуры текучести, появившиеся при вдавливании штемпеля в круглую железную пластинку. 5. Деформированное вплоть до разрыва кристаллическое тело, состоящее в поперечном сечении из одного кристалла.
Т. Э. »»ЧСТ.Г«0.*РТП*-ОИ·
6 ii
6. Л и Ii. Микрофотографии одной и той же группы зерен мягкого железа до п после деформации. 7. Поверхностные трлцины деформированного зерна феррита, окруженного перлитом.
Т. Э.
”»tc· ieounn».»
зуется при этом постоянной величиной составляющей скалывающего напряжения в плоскости и направлении сдвига, свойственной данному материалу (кристаллограф, предел упругости). Так. обр., для растягиваемой палочки монокристалла предел упругости, выраженный величиной главного напряжения, становится, в отличие от поликристалла, функцией ориентировки. При этом оказываются возможными случаи, когда, вследствие неблагоприятной ориентировки, нормальное напряжение но плоскости наименьшего сопротивления разрыву (обычно совпадающей с плоскостью легчайшего сдвига) превзойдет сопротивление сил сцепления раньше, чем скалывающее напряжение в той же плоскости превзойдет предел упругости. Тогда произойдет хрупкий разрыв пластического по существу материала, условие которого дается зависимостью: sinx. R cos Я Т *
где х и λ—углы, образуемые осью кристалла соответственно с плоскостью и направлением сдвига, R—сопротивление материала разрыву и Т—сопротивление сдвигу (предел упругости).
При дальнейшем растяжении кристалла появляется т. н. упрочнение, или повышение, кристаллографии, скалывающего напряжения. О причине упрочнения существует множество гипотез (образование аморфных прослойков, появление внутренних напряжений, искажение атомной решетки), из которых ни одна еще не может считаться окончательно принятой.
При разрыве монокристаллы обнаруживают значительно более высокое удлинение, чем поликристаллы, особенно при низкой степени симметрии решетки. Напр., одно-кристалльный цинк (гексагональная система) удлиняется на 000% против 20—30% для м ногокристаллического.
Фактор времени оказывает значительно большее влияние на пластнч. свойства тел аморфных, чем на пластическ. свойства тел кристаллических; нек-рые аморфные тела, крайне хрупкие при быстром загружении, могут дать весьма значительные остающиеся Д., подвергаясь длительному воздействию нагрузки; например, такое хрупкое тело, как стекло, может дать в результате многолетнего нагружения весьма большой остаточный прогиб.
Употребляемые на практике материалы являются обычно не в виде одного кристалла, а представляют собою тела, составленные из множества отдельных кристаллов, называемых кристаллитами или зернами. Д. такого аггрегата протекает значительно сложнее, чем отдельных кристаллов, вследствие различной ориентировки соседи, зерен; препятствуя Д., это обстоятельство обусловливает значительное повышение предела упругости технических материалов по сравнению с монокристаллами. Существует мнение, что на границах отдельных зерен или кристаллитов имеется некоторое количество вещества в аморфном или полуаморфном состояниях, что еще более усложняет ход пластич. деформации в таких ноликристаллич. телах. Большинство материалов, употребляемых в технике, представляет собою, кроме того, аг-грегаты кристаллитов разных типов; например, сталь может содержать в себе зерна феррита и перлита, обладающие весьма различной твердостью и пластичностью. Пластические деформации такого ноликристаллич. аггре-гатного тела зависят как от свойств входящих в аггрегат составляющих, так и от их взаимного расположения.
Следы описанных выше плоскостей сдвига в крист, составляющих тело, м. б. обнаружены при помощи микроскопа на поверхности шлифа, изготовленного из этого тела. На фигуре 2, А показана схематически в разрезе часть поверхности тела на границе двух зерен до Д., а на фигуре 2, Б—та же часть после Д., вызвавшей сдвиги по ряду плоскостей. Места сдвигов под микроскопом видны в виде темных полос, т. к. лучи света, попадая на наклонные плоскости сдвигов, отражаются в сторону и не попадают в объектив микроскопа. 11а вкладном листе, 0 а, в, представлены микрофотографии одной и той же группы зерен мягкого железа до и после деформации.
Задолго до момента разрыва, кроме линий, соответствующих пластическим Д., в поле зрения микроскопа появляются полосы, которые следует признать не за сдвиги, а
за поверхностные трещины. Такие трещины видны на фотографии деформированного зерна феррита, окруженного перлитом (вкладной лист, 7).
Механич. картина пластич. Д. поликристалла при растяжении характеризуется также непрерывным упрочнением или повышением сопротивления вслед за пределом упругости. К причинам, действующим при Д. одного кристалла, здесь присоединяется влияние различной ориентировки зерен («интерференционная теория» Джефриса и Арчера), втягиваемых в работу в порядке возрастания неблагоприятности этой ориентировки.
Появление пластич. Д. при растяжении у нек-рых металлов (медь, алюминий, твердая сталь) происходит постепенно, тогда как у других (железо, мягкая сталь) возникает сразу в значительных размерах(1—2%), давая на диаграмме растяжения (фигура 3) так паз. площадку текучести В. Во время этого процесса величина напряжения остается постоянной, испытуемый же образец, если поверхность его была отполирована, постепенно покрывается сетью наклонных матовых полос (т. н. линий Людерса или Гартмана), являющихся внешним выражением зон прошедшей пластич. Д. н свидетельствующих о неоднородном характере процесса Д. Механически явление текучести слагается из 1) внезапного спадания сопротивления сдвигу вслед за началом Д. и 2) местного повышения напряжения на границе деформированной зоны с недеформированнои. Вследствие первой причины на диаграмме растяжения можно часто (особенно при очень пологом переходе от головки образца к стержню) наблюдать в начале диаграммы зуб (фигура 3, А), высота которого иногда достигает 50% от уровня площадки текучести.
Наступлению текучести часто предшествует появление очень малых пластическ. Д., вследствие которых предел упругости оказывается ниже предела текучести.
При изгибе весьма характерно одновременное существование в одном и том же сечении и упругой и пластич. стадий Д., а именно—в области, ближайшей к нейтральной оси, могут еще оставаться напряжения ниже предела упругости, тогда как в крайних волокнах тело уже деформируется пластически. На фигуре 4 даны изображения по фасаду и разрезу областей упругих и пластич. Д. и эпюра напряжений в сечении под грузом при изгибе. Зональность деформаций имеет место при сжатии, смятии и других случаях нагрузки; так, например, на вкладном листе, 2, видны пластич. Д. парафинового цилиндра, подвергнутого сжатию; на вкладном листе, 4, засняты фигуры текучести, появившиеся при вдавливании штемпеля в круглую железную пластинку, а на вкладн. листе, 1 фигуры текучести в том же материале при продавливании круглого отверстия; на вкладном листе, За, Ь, показаны зоны текучести у железных стержней прямоугольного сечения 1,31x1,98 см, подвергнутых кручению на угол 1,767см и на угол 1,077см.
Влияние повышения t0 на пластич. Д. выражается непрерывным облегчением последней с соответствующим понижением предела упругости; этот предел стремится к нулю по мере приближения к 1°пл. При достижении t° известного предела (для стали не выше верхней критич. точки) Д. проходит вовсе без упрочнения, вследствие одновременно идущего процесса рекристаллизации. Нагревание деформированного металла не ниже t° рекристаллизации снимает полученное им упрочнение (отжиг), при сохранении полученной в процессе Д. формы.
Явлением пластич. Д. широко пользуются при горячей и холодной обработке металлов, например, при ковке, прокатке, волочении и т. д. Аналитич. исследования явления пластических Д. даны в работах Падай (Nadai), Мизеса (Mises) и Беккера.
Лит.: Болховитинов Η. Ф., Металловеде-пие, М., 1927; Николаев Б., Физические начала архитектурных форм. Опыт исследования хронической деформации зданий, СПБ, 1905; Jeffries Z.and A rch е г R., The Science of Metals, New York, 1924; N ά (1 a i A., Der bildsame Zustand d. Werk-stoffe, B., 1927; Becker It., t)ber Plastizitat, Ver-festigung mid Rekristallisation, «Ζ. f. techn. Physik», Leipzig, 192G; M ises It., Mechanik d. fcsten KOrper ini plastisch deforinierten Zustand. «Nachrichten von d. K. Ges. d. Wiss. zu Gdttingen», Berlin, 1913; T a Mini a η n G., Aggregatzustiinde, 2 Aufl., Leipzig., 1923; Sachs G., Grundbegnffe d. mechan. Technologic d. Metalie, Lpz., 1925. H. Щапов.