Изменение свойств металлов при деформации

Пластическая обработка металлов обычно сопровождается значительным изменением их механических, физических и химических свойств.

Литой металл часто имеет усадочные раковины, рыхлость, газовые пузыри и другие дефекты; при горячей обработке давлением они завариваются, а крупнокристаллическая структура литого металла становится мелкокристаллической. В результате происходящих в металле изменений плотность его, хотя и незначительно, возрастает, механические свойства улучшаются, другие свойства в той или иной мере также изменяются. Иллюстрируют сказанное табл. 5 и рис. 13, где приведены механические свойства и микроструктуры сплава Л68 в литом и прессованном состоянии. Предел прочности сплава в литом состоянии составлял 28 кГ/мм2, после же прессования в горячем состоянии он повысился до 31 кГ/мм2, возросло также и относительное удлинение с 48 до 64 %.

Изменилась и структура сплава: вместо очень крупных кристаллов в литом состоянии появились мелкие равноосные кристаллы в прессованном состоянии. Измельчение литой структуры в свою очередь улучшает обрабатываемость сплавов давлением, в частности уменьшается опасность образования трещин при последующей горячей обработке.

Холодная пластическая обработка также сопровождается изменением механических и других свойств металлов. Например, мягкая железная или медная проволока, будучи сплющена в холодном состоянии в тонкую полоску, становится жесткой. Аналогичное явление наблюдается при волочении, после которого мягкая прессованная заготовка становится твердой и менее пластичной.

Исследования и практика показывают, что с увеличением степени деформации металла при определенном температурно-скоростном режиме значительно повышаются пределы упругости, текучести и прочности и твердость металла. Одновременно с этим уменьшаются показатели пластичности: относительное удлинение, ударная вязкость. Также увеличивается электрическое сопротивление, уменьшается сопротивление коррозии, изменяется теплопроводность и т. п.

Изменение механических и физико-химических свойств металлов и сплавов, вызываемое пластической обработкой в холодном состоянии, называют упрочнением, или наклепом.

Для объяснения явления упрочнения существует несколько теорий. По одной из них, изменение механических свойств металла в процессе пластической деформации основано на искажении и изменении ориентации плоскостей скольжения.

Наблюдения за растяжением образца, изготовленного из одного кристалла, показывают, что остаточная деформация представляет собой сдвиги тонких слоев металла друг относительно друга по определенным плоскостям скольжения. В первый момент сдвиги происходят по плоскостям, наиболее благоприятно ориентированным по отношению к растягивающему усилию. Сдвиги сопровождаются поворотом тонких слоев металла в менее удобное положение по отношению к растягивающему усилию. Вследствие этого общее растягивающее усилие возрастает. В результате перемещений частиц металла длина образца увеличивается, а поперечное сечение уменьшается, что и представляет собой деформацию образца. При дальнейшем растяжении образца происходят новые сдвиги по другим направлениям, или вторичным плоскостям скольжения. Ho сдвиги при этом не достигают больших величин, как по первичным плоскостям скольжения, и происходят с затратой более значительных усилий, что на диаграмме растяжения (см. рис. 6) отмечается постепенным ростом нагрузки.

Последовательное включение в процесс деформирования новых и все менее благоприятно ориентированных плоскостей скольжения приводит к полному исчерпанию запаса пластичности, и образец разрывается. Нагрузка на образец к этому моменту достигает наибольшей величины.

Для определения истинного напряжения в металле необходимо нагрузку на образец делить на площадь его поперечного сечения в момент замера нагрузки. В таком

случае на построенной диаграмме растяжения кривая возрастания предела прочности примет вид кривой 1 (рис. 19). Для сравнения приведена кривая 2, показывающая изменение предела прочности, рассчитанного по площади сечения образца до испытания. На основании кривой 1 можно заключить, что по мере того, как металл деформируется (удлиняется), он становится прочнее.

Поведение кристаллов в обычных изделиях, подвергаемых в холодном состоянии волочению, ковке, прокатке и т. д., подобно изложенному выше. В каждом кристалле происходят сдвиги и перемещения, хотя это и более затруднено, чем в однокристальном образце, вследствие различной ориентировки зерен в металле. Эти сдвиги чрезвычайно малы, и их удается обнаружить только под микроскопом. Лишь при волочении сильно наклепанных медных и мельхиоровых труб и при растяжении полированных образцов иногда на их поверхности наблюдается «сетка» (рис. 20). Она состоит из взаимно пересекающихся мельчайших линий или штрихов, расположенных под углом 45 град, к направлению растяжения. Эти линии скольжения, называемые линиями Чернова — Людерса, являются суммой большого количества одинаково ориентированных сдвигов, которые происходят в металле при его растяжении.

Зависимость между величиной деформации и механическими свойствами металла хорошо иллюстрируется данными табл. 5, где приведены результаты механических испытаний прессованных и тянутых труб из сплава Л68. После волочения трубы на размер 29,2х1,6 мм с вытяжкой 1,45 предел прочности увеличился до 50 кГ/мм2, а относительное удлинение уменьшилось до 10%. После протяжки на размер 24х1,0 мм, когда суммарная вытяжка возросла до 2,78, предел прочности увеличился до 63 кГ/мм2, а относительное удлинение снизилось до 3%.

В соответствии с произведенными деформациями, как это было показано на рис. 13, изменилась и микроструктура сплава.

Из приведенных данных видно, что прочность металла увеличивается, пластичность уменьшается пропорционально степени холодного обжатия, т. е. чем сильнее металл обжат, тем больше становится предел прочности ob и тем меньше относительное удлинение б. Эта зависимость может быть выражена графически (рис. 21).

На рис. 21, а показано изменение механических свойств меди в зависимости от обжатия.

Рассмотрим характер этих кривых. В первый момент, до деформирования (0% обжатия), предел прочности равен 22 кГ/мм2, а относительное удлинение равно 40%. При 30% обжатия предел прочности возрастает до 31 кГ/мм2, а относительное удлинение снижается до 7%. С дальнейшим увеличением обжатия предел прочности продолжает возрастать, а относительное удлинение падать. Такой характер изменения механических свойств при холодной обработке наблюдается у большинства металлов. Разница для разных металлов и сплавов лишь в крутизне кривых.

Рис. 21, б иллюстрирует изменение механических свойств меди в зависимости от температуры отжига. Видно, что существуют такие температуры отжига, при которых свойства металла могут быть возвращены к первоначальным величинам.

На рис. 22 приведены кривые изменения предела прочности некоторых металлов и сплавов в зависимости от величины холодного обжатия.

В табл. 6 приведены примерные данные о тех пределах, в которых могут изменяться механические свойства некоторых цветных металлов и сплавов при отжиге и деформации.