книги / Физическая природа пластической деформации

В стали со структурой тонкопластинчатого перлита электроот­ пуска (близкой к патентированной) изменение объема примерно такое же, как и у нормализованной или патентированной сталей (рис. 3). Заметим, что и здесь наблюдается большее увеличение объема на заготовке диаметром 2,5 мм, чем на проволоке с исход­ ным диаметром 6 мм.

В л и я н и е р а з м е р а з е р н а н а и з м е н е н и е о б ъ ­ е м а п р и в о л о ч е н и и п р о в о л о к и . Исследовалась эвтектоидная сталь в исходном состоянии, электронормализованном от различных температур, с целью получения аустенитного зерна разной величины. Образцы, нормализованные с 850° С, име­ ли средний размер зерна 0,014 мм, нормализованные с температуры 1200° С—0,050 мм. Результаты измерений удельного объема для этих образцов приведены на рис. 4, а, из которого следует, что мел­ козернистая сталь лишь при высоких степенях деформации обна­ руживает несколько большее увеличение объема, чем крупнозер­ нистая.

Подобный эксперимент с аналогичным результатом был проведен и на образцах чистого железа с размером зерна 0,05 и 1,5 мм (рис. 4, б). Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что размер

зволяют сделать определенные заключения о роли частиц второй фазы в увеличении объема при наклепе стали. Для этого достаточно сравнить прирост объема при волочении чистого железа (см. рис. 4, б) и хорошо отожженной эвтектоидной стали (см. рис. 2, )), у которой смягченная отжигом ферритная матрица соответствует свойствам чистого железа. Приведенное сопоставление позволяет сделать вы­ вод о том, что присутствие частиц второй фазы резко увеличивает эффект прироста объема металла, причем степень этого влияния, как было показано выше, зависит от дисперсности частиц. Это со­ гласуется с данными [13], где Годфри, ссылаясь на Врейдта, ука­ зывает на то, что изменение плотности при наклепе возрастает с увеличением содержания второй фазы в матрице.

В л и я н и е т и п а к р и с т а л л и ч е с к о й р е ш е т к и н а и з м е н е н и е о б ъ е м а п р и д е ф о р м а ц и и В ка­ честве первой оценки этого фактора нами сравнивалось изменение объема чистого железа, меди и алюминия после холодной протяжки в одинаковых условиях. На рис. 5 и 6 приводятся значения удель­ ного объема меди и алюминия по мере их волочения.

На образцах меди обнаруживается вначале снижение удельного объема, связанное, по-видимому, с устранением рыхлости отжженной меди (так называемая «водородная болезнь»). В связи с этим

Рис. 5. Изменение удельного объема меди при воло­ чении (для двух партий образцов).

было проведено повторное исследование, подтвердившее получен­ ные данные.

Если отвлечься от упомянутого уплотнения меди на первых эта­ пах деформации, то оказывается, что ее удельный объем при пласти­ ческой деформации не увеличивается, а остается практически по-

рот

О

г

Рис. 6. Изменение удельного объема алюминия при волочении.

стоянным (в пределах точности нашего эксперимента) на уровне Удельного объема, рассчитанного по данным рентгеновского анали­ за для чистой компактной меди, т. е. 0,1120 см3/г (плотность 8,932 г!см2).

Алюминиевая проволока при всех степенях деформации также обнаруживает практическое постоянство удельного объема на уров­ не 0,3700 см3/гу близком к расчетному значению 0,3706 см3[г.

Таким образом, для чистых металлов с гранецентрированной решеткой (меди, алюминия) в отличие от железа характерна неза­ висимость удельного объема от пластической деформации (по край­ ней мере в пределах не выше 0,1 %).

Обсуждение результатов. Полученный экспериментальный мате­ риал свидетельствует о наличии несомненной связи между пласти­ ческой деформацией и плотностью (удельным объемом) железа или стали. При этом увеличение объема при деформации волочением в значительной мере зависит от характера структуры исходного материала и геометрического фактора. Наибольший прирост объема при деформации испытывает мягкая отожженная сталь со структу­ рой грубозернистого перлита, наименьший — патентированная эвтектоидная сталь и чистое железо, однако различие это не столь уж велико и прирост объема во всех исследованных случаях составляет величину порядка 0,5—0,9% при достаточно больших степенях деформации (90% и выше). Обращает на себя внимание большая величина объемного эффекта при волочении проволоки, для разум­ ного объяснения которого оказывается недостаточным привлечения представлений об избыточном объеме, вносимом дислокациями и вакансиями в наклепанный металл. В самом деле, оценка прироста объема по формуле (1) показывает [7], что максимальный объемный эффект от увеличения плотности дислокаций составляет сотые доли процента. Вклад же вакансий в увеличение объема также не может превышать величину порядка 10-4, если учесть, что концентрация вакансий с связана с величиной пластической деформации е следу­ ющей зависимостью [3]:

Анализируя причины увеличения объема при пластической де­ формации никеля по данным Клерборо и др. [8], Стро [10] делает заключение о том, что ни дислокации, ни вакансии не могут отвечать за такой прирост объема, и обосновывает свое предположение о нали­ чии в деформированном металле большого количества микротрещин. В нашем случае объемный эффект от наклепа на порядок больше обсуждаемого в работе [9], поэтому трудности его трактовки только возрастают. Косвенным подтверждением наличия микротрещин в на­ клепанном металле может считаться наличие данных об изменении объема, происходящем при нагреве деформированного железа и стали в области температур рекристаллизации 500—700° С. Так, в процес­

се нагрева железа уменьшение объема составляет величину примерно 5-10” 4 [11], для наклепанной патентированной стальной проволоки— примерно 1,4* 10-3 [12]. Это можно расценивать так, что большая часть прироста объема, возникшая при наклепе, во время рекристаллизационного отжига не исчезает вместе с аннигилировавшими дислокациями, а остается в виде избыточного объема пор или микро­ трещин. Гипотеза о наличии продольных микротрещин высказывает­ ся в работе Аллена с сотрудниками [13] на основании анализа сильно выраженной анизотропии механических свойств холоднокатанной железной ленты.

Таким образом, предположение Стро [10] о существовании в на­ клепанном металле микротрещин нам представляется достаточно разумным, хотя и требующим непосредственного экспериментально­ го подтверждения.

Поскольку последняя задача не ставилась в настоящей работе, то в рамках данной статьи мы будем пользоваться такой трактов­ кой как гипотетической. Следовательно, представленные выше экспериментальные данные по увеличению удельного объема при деформировании стальных и железных образцов можно связывать с возникновением в наклепанной проволоке большого количества дефектов типа микротрещин. Количественные закономерности усло­ вий их возникновения и накопления при деформации характери­ зуются основными зависимостями, приведенными выше.

Выводы. 1. При холодном волочении стальной проволоки проис­ ходит интенсивное нарастание удельного объема, приблизительно пропорциональное величине истинной деформации lnjx (где \i — коэффициент вытяжки).

2. Величина прироста объема зависит от характера исходной структуры стали, от наличия частиц второй фазы, от размера исход­ ной заготовки и в меньшей степени от величины зерна деформируе­ мого металла.

3. Количественно величина объемного эффекта при холодной деформации железа и стали может достигать 0,5—1,0%; связана она, по-видимому, с возникновением большого числа дефектов типа

микротрещин.

4. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой (медь, алюминий) в процессе пластической деформации либо вообще не приобретают микротрещин, либо содержат их в незначительном количестве, не поддающемся определению в пределах точности мето­ да, применявшегося в настоящем исследовании.

5. Наличие большого количества микротрещин в наклепанной стальной проволоке должно определенным образом отражаться

на ее некоторых механических характеристиках. Исследование этого вопроса, как и экспериментальное наблюдение микротрещин в про­ волоке, представляет собой отдельную задачу.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.Л и в ш и ц Б. Г. Физические свойства металлов и сплавов. Машгиз, М., 1956, 270.

8. C l a r e b r o u g h L. М., H a r g r e a v e s М. Е., W e s t G. W. — P h i l .

ОБ ИЗМЕНЕНИИ ОБЪЕМА

ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ д е ф о р м а ц и и м е т а л л о в

Ю. Я- Мешков

Объемные изменения, происходящие при пластическом деформировании металлов, в частности при холодном волочении стальной проволоки [1—3], обращают на себя внимание тем, что им соответствует большая величина относи­ тельного прироста удельного объема, достигающая 1%. Если исхо­ дить из обычных представлений о причинах изменения плотности компактного металла за счет «избыточного» объема, вносимого дисло­ кациями и вакансиями, то, согласно выражению Клерборо [4]:

получаем, что такому приросту объема -у- должно соответствовать

изменение] плотности дислокаций порядка Др ^ 3 - 1013 см~2, а это

весьма сомнительно (а — параметр атомной решетки). Вакансии, по-видимому, в данном случае едва ли могут отвечать больше чем за сотую долю наблюдаемого прироста объема [5]. Таким образом, приходится заключить, что в рассматриваемом эффекте в какой-то степени происходит нарушение компактности деформируемого ме­ талла с возникновением в нем определенного количества несплошностей, пор или микротрещин. Ранее к этому выводу пришел Стро [6] , анализируя результаты Клерборо [4] по изменению объема при отжиге сильно деформированного никеля, хотя там речь шла об эффектах гораздо меньших — примерно 0,05%. В нашей работе [7] была сделана попытка экспериментального доказательства нали­ чия продольных микротрещин в протянутой стальной проволоке путем их раскрытия при поперечном нагружении шлифованного образца в поле зрения обычного микроскопа. Результаты этого опыта, с нашей точки зрения, едва ли могут вызвать сомнение, в связи с чем приобретает интерес теоретическое объяснение аномального увели­ чения объема при пластической деформации металла.

В настоящей работе делается попытка провести расчет этого явления, исходя из простейшей модели движения дислокаций по двум взаимно перпендикулярным системам скольжения.

При перемещении п дислокаций в плоскости скольжения на рас­ стояние L под действием напряжений происходит элементарная пластическая деформация величиной ех\

где b — вектор Бюргерса. Если L — размер зерна, a D — расстоя­ ние между двумя соседними идентичными плоскостями скольжения,

Общая пластическая деформация в таком зерне составит

Будем полагать, что завершенный сдвиг п дислокаций в поликристаллическом материале приводит к образованию на границе зерна ступеньки величиной nb. Это возможно лишь в том случае, если у границы образовалась некая полость, которую иначе можно рас­ сматривать как трещину Стро, возникшую во главе группы нагро. можденных дислокаций [8]. Объем такой трещины длиной с в пред.

положении ее клиновидной формы равен \-cbnL. В одном зерне

L ^

количество таких трещин будет2-^- ; а если учесть, что деформация

при протяжке в круглой волоке идет по меньшей мере в двух вза­ имно перпендикулярных системах плоскостей, то количество трещин

в одном зерне надо удвоить и общий объем их составит 2cbnL-^. Объ-

ем этих трещин в 1 см3 металла численно равен относительному приросту объема при деформации 6V Чтобы получить это, надо

величину 2cbnL-j^-домножить на среднее количество зерен в 1 см3

металла, т. е. на 1IL3:

Заменив число дислокаций п из (3) через истинную относитель­ ную деформацию металла е, которая по определению равна 1пр (р — так называемый коэффициент вытяжки, представляющий со­ бой отношение конечной длины образца к его начальной длине), получим выражение для увеличения объема проволоки при во­ лочении

приемлемую оценку прироста объема — около 1%.

Практически для расчетов этим выражением пользоваться неу­ добно, так как длина трещин с может изменяться в довольно широ­ ких пределах. Чтобы уменьшить степень неопределенности, будем полагать в соответствии с принятой моделью, что каждая такая

трещина не может быть размером более чем толщина пачки скольже­ ния D, которую по порядку величины будем считать близкой к раз­ меру блока. В противном случае произошло бы слияние всех послед­ них трещин в одну и, как следствие, разрушение материала. Таким образом, примем, что с = aD, где а ^ 1. Кроме того, воспользуем­ ся известным в теории дислокаций соотношением для предела теку-

C'h

чести стт = р —— , где р — коэффициент порядка нескольких

единиц [91. Подставив в (5) вместо с и D их значения и учитывая при этом величины коэффициентов а и р , можно без большой погреш­ ности принять ар ^ 1. Окончательное выражение для относитель­ ного прироста объема металла за счет появления дефектов типа трещин при пластической деформации волочением будет таково:

закономерности в увеличении объема хорошо согласуются с вывода­ ми приведенного расчета. В частности, получено качественное под­ тверждение влияния размера зерна на увеличение объема при дефор­ мации стали и чистого железа. Показано также, что более мягкая (отожженная) сталь значительно сильнее увеличивается в объеме, чем более прочная (патентированная или электроотпущенная). На­ конец, интересно то, что чистая медь и алюминий в отличие от чисто­ го железа не обнаружили столь сильного увеличения объема (вели­ чина 6V не вышла за пределы точности эксперимента, т. е. 0,05%). Можно полагать, что это объясняется особенностями механизма