Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Накопленная энергия деформирования металлов

20.04.2019


Основным фактором, определяющим изменение строения и свойств кристаллов в результате наклепа, является накопление энергии в деформированных металлах и сплавах. Эта накопленная (скрытая) энергия деформирования определяет необратимые изменения кристаллического строения.

Необратимые изменения строения кристаллов при деформировании определяются созданием в них дефектов — вакансий и главным образом дислокаций, что вытекает из дислокационного механизма пластического течения и подтверждается прямыми экспериментами (возрастанием плотности дислокаций на три-четыре порядка, а также резким увеличением плотности вакансий).
Накопленная энергия деформирования металлов

Скрытую (поглощенную) энергию деформирования определяют по разнице затраченной при деформации работы и выделившегося тепла или по количеству тепла, выделившегося при нагреве деформированного металла. На рис. 42 приведена зависимость общего количества поглощенной (скрытой) энергии от степени относительной деформации при кручении поликристаллической меди. Если общее количество поглощенной энергии Eизм непрерывно увеличивается с ростом деформации (рис. 42) и с увеличением общей затраченной работы, то относительное количество поглощенной энергии (отнесенное к затраченной работе), т. е. величина Еизм/Езатр, меняется немонотонно в зависимости от степени деформации. Как показано на рис. 43, с увеличением степени деформации доля поглощенной энергии падает: при малых деформациях кручением поглощалось около 10% энергии, а при больших всего 3%.

Обращает на себя внимание тот факт, что в условиях деформирования при обычной (комнатной) температуре поглощается малое количество энергии.

Опыты, проведенные на свинце и кадмии при низких температурах (77 К), показали, что когда количество затраченной работы мало, т. е. когда деформация незначительна, поглощается почти вся (80—90%) затраченная работа, но при увеличении затраченной работы, т. е. с ростом деформации, количество поглощенной энергии резко уменьшается (рис. 44).

Калориметрические измерения накопленной энергии деформирования после низкотемпературного (77 К) растяжения поликристаллических образцов и монокристаллов алюминия и меди показали, что величина накопленной энергии тем больше, чем больше деформация. Для поликристаллических образцов меди и алюминия «насыщение» наблюдается при относительной деформации, равной — 0,3, тогда как в случае монокристаллов такого «насыщения» не происходит, и величина накопленной энергии непрерывно увеличивается с деформацией. Это явление связывается с различным характером взаимодействия дислокаций в поликристаллах (влияние границ, являющихся эффективным препятствием для перемещающихся дислокаций) и монокристаллах.

Интенсивность возрастания величины накопленной энергии с увеличением деформации при растяжении монокристаллов алюминия и меди оказалась выше для тех кристаллов, для которых начальное положение их оси было в наибольшей мере удалено от полюса (110).

Сравнение величин накопленной энергии деформирования в поликристаллических образцах алюминия с одинаковой величиной зерна после растяжения при комнатной температуре и при 77 К показало, что в последнем случае эта величина больше. Полученные данные свидетельствуют о том, что при низкотемпературном растяжении в большей мере сохраняются дефекты, созданные в ходе пластического течения. Вычисление плотности дислокаций по величине накопленной энергии в зависимости от степени деформации при 77 К показало, что для меди и алюминия эта плотность (для данной степени деформации) тем больше, чем ближе начальная ориентация кристаллов к полюсу (111).

Все эти закономерности подтверждают, что някопленная энергия деформирования связана с изменением дислокационной структуры металлов в результате пластического течения. Об этом свидетельствует также линейная связь между накопленной энергией в деформированных монокристаллах меди и алюминия и величиной напряжения течения. возведенной в квадрат (константа пропорциональности является зависимой от ориентации кристаллов). Во всех существующих теориях деформационного упрочнения установлена связь между величиной напряжения течения и корнем квадратным из плотности дислокаций.

Непосредственные исследования металлических кристаллов показали, что в процессе деформирования происходят следующие изменения строения. Вначале пои малых степенях деформации почти вся поглощенная энергия расходуется на создание дефектов кристаллического строения (дислокаций), устойчивых при данной температуре (почти постоянной в связи с малой затраченной работой). Хотя с повышением степени деформации (увеличением затраченной работы) образование дефектов кристаллического строения и продолжается, часть образовавшихся дефектов исчезает в ходе процесса деформации, так как увеличение затраченной работы понижает энергию активации процесса аннигиляции дефектов в связи с локальным повышением температуры и усилением взаимодействия дислокаций.

На исчезновение части дефектов кристаллического строения в ходе процесса деформирования, сопровождающегося выделением свободной энергии в виде тепла, указывает также факт зависимости общего количества накопленной при деформации энергии от условий проведения пластического деформирования. В случае ударно-взрывного деформирования, когда в связи с импульсным воздействием большой мощности возможно резкое повышение температуры, твердость и накопленная энергия достигают максимума при значительно меньших значениях истинной деформации, чем в случае обычной статической деформации, например при протяжке проволоки (рис. 45).

Таким образом, поглощенная при пластической деформации энергия определяет изменения в тонком строении кристалла в связи с образованием при деформации нового количества дислокаций и созданием их новых конфигураций в объеме металла. Прямое изучение тонкого строения пластически деформированных металлов (плотности и распределения дислокаций) необходимо для понимания вопросов, связанных с изменением свойств после деформации.

Температура деформации металла

В зависимости от значений температуры деформирования по-разному будут протекать процессы перестройки дислокаций в ходе пластического течения. Так как дислокационная петля содержит винтовые и краевые компоненты, поэтому с наибольшей полнотой перестройка дислокационной структуры возможна при температурах, при которых возможно неконсервативное движение (переползание) краевых компонент, связанное с определенным развитием самодиффузии.

Коэффициент самодиффузии для металлов, имеющих в своем большинстве решетки с высокой симметрией (в частности, кубические), определяется по формуле

где а — параметр решетки; т — усредненное время перескока атома, определяющее заметное развитие самодиффузии при данной температуре T [К]; Uсд — энергия активации самодиффузии, которая для большинства металлов связана с их температурой плавления Ts[К] полуэмпирической зависимостью Uсд=38Ts кал/моль.

Тогда

Выбрав типичные значения D0=0,1 см2/с, т=103 с (см. основные положения теории диффузии), а=10в-8 см, получим Тпер = 1/2(Ts). Таким способом может быть оценена температурная граница, выше которой возможно переползание дислокаций. Ниже этой температуры (для технических металлов и сплавов ниже 0,3Ts) будет происходить холодная деформация.

Деформация технических металлов и сплавов при температурах, равных (0,3—0,6)Ts, будет теплой. Она будет характеризоваться одновременной в ходе деформации перестройкой тонкой структуры посредством переползания дислокаций, но без существенной миграции границ. При температурах выше значений (0,6—0,7)Ts будет происходить горячая деформация, сопровождающаяся не только интенсивной перестройкой дислокационной структуры и сохранением только устойчивых при этих высоких температурах дислокационных построений, но и миграцией границ, связанных с развитием различных стадий процесса разупрочнения (рекристаллизации). Необходимо подчеркнуть, что развитие возврата, полигонизации или рекристаллизации в ходе горячей деформации или при изотермических выдержках после нее происходит иначе, чем при нагреве после холодной деформации.

Следует указать, что основная масса экспериментальных данных получена по влиянию холодной деформации и последующего нагрева, вызывающего возврат или рекристаллизацию, на структуру металлов и сплавов. Гораздо меньше сведений о влиянии теплой и горячей деформации. Однако в связи с развитием ряда новых упрочняющих обработок процессы теплой и горячей деформации начинают привлекать внимание металловедов, так как регулирование этих процессов открывает новые возможности повышения свойств металлов и сплавов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: