Освіта деформацій.
Поняття про механізм утворення деформацій
Поняття про механізм утворення деформацій
Різні види механічних випробувань металів дають лише зовнішнє подання
про характер пружної й пластичної деформації. Приведемо короткий і
спрощений виклад сучасних подань про процеси, що відбуваються в металах
при таких деформаціях.
Як відомо, метали мають кристалічну структуру. При затвердінні металу в
розплаві одночасно виникає багато центрів кристалізації, внаслідок чого
зріст кожного кристалу стиснутий сусідніми. У результаті технічний метал
складається з великої кількості кристалів неправильного огранювання,
називаних кристалітами, або кристалічними зернами. Відносно один одного
кристалічні зерна орієнтовані всіляким образом. Разом з тим у кожному з
них атоми розташовані дуже виразно і утворюють так звані кристалічні
ґрати, що складаються з повторюваних однакових осередків.
Атоми електрично нейтральні, тому що негативні заряди електронів, що
обертаються навколо ядра, нейтралізовані його позитивним зарядом. У
металах при достатнім зближенні атомів виникає можливість відриву
валентного електрона одного атома позитивно зарядженим ядром іншого, у
цього — наступного й т.д. Таким чином, частина валентних електронів
починає переміщатися навколо ядер всіх взаємодіючих атомів. Ці електрони
називаються вільними, оскільки не пов’язані з певними атомами. Метал
можна уявити собі як будівлю з нейтральних атомів та іонів, що
перебувають в атмосфері електронного газу, що як би стягує іони. Зв’язок
між атомами, здійснювана електростатичними силами в результаті взаємодії
позитивних іонів і електронного газу, називається металевою.
Оскільки ці атоми по своїй природі однакові, то розташуватися вони
повинні на таких відстанях друг від друга й у таких точках простору, де
на них діють рівні сили притягання й відштовхування. У результаті
відбувається закономірне розташування атомів, яке спостерігається в
кристалічних ґратах.
Кристалічні ґрати утворюють уявлювані лінії й площини, що проходять
через точки простору, у якому розташовуються іони металу. Більш
правильно ці точки визначити як центри найбільш імовірного розташування
іонів, тому що ті не залишаються нерухомими, а коливаються біля цих
центрів. Останні звичайно називають вузлами кристалічних ґрат.
Найпоширенішими типами таких ґрат металів є кубічна об’ємноцентрована
(рис.4.13,а), кубічна гранецентрована (рис.4.13,б) і гексагональна
щільно упакована (рис.4.13,в).
а б в
Рис.4.13. Типи ґрат металів
У них атоми перебувають у стійкому положенні рівноваги і мають
мінімальну потенційну енергію.
При деформації металу відстані між атомами під дією зовнішніх сил
змінюються по певних напрямках, лінії й площині, що проходять через
атоми, викривляються, кристалічні ґрати спотворюються. Тому що при цьому
рівнодіючі сил притягання й відштовхування між атомами вже не дорівнюють
нулю, то в ґратах будуть діяти внутрішні сили, що прагнуть повернути
атоми в положення рівноваги. Залежність між малими зсувами атомів і
силами взаємодії з відомим ступенем наближення можна вважати лінійною.
Сумарно це проявляється в лінійній залежності між зсувами точок тіла й
зовнішніх сил, що виражається законом Гука. При усуненні зовнішніх сил
атоми знову займають свої колишні місця в кристалічних ґратах, внаслідок
чого відбувається пружне відновлення форми металевого тіла. Так
пояснюється пружна деформація.
Якщо зовнішні сили збільшуються, то зростають і внутрішні. Тоді в зернах
металу відбувається зсув однієї частини щодо іншої, яке називається
ковзанням. Дослідженнями встановлено, що воно відбувається по площинах і
напрямкам, уздовж яких атоми розташовуються найбільш щільно. У кожній із
кристалічних ґрат, зображених на рис.4.13, одна така площина
заштрихована, а напрямки ковзань зазначені стрілками. Важливою
характеристикою цих площин і напрямків є величина зсувного напруження,
яке визиває ковзання.
Розглянемо механізм утворення пластичної деформації в межах одного
кристалу зі зробленими кристалічними ґратами, спрощена модель якої
зображена на рис.4.14,а.
а б в
Рис.4.14. Спрощена модель кристалічних ґрат
Нехай у таких ґратах верхній шар атомів щодо нижнього зміщується по
площині А — А. Якщо припустити, що в процесі зрушення кристалічні ґрати
не спотворюються, тобто в частинах її вище й нижче площини А — А
відстані між атомами залишаються незмінними, то можна дійти висновку, що
всі атоми верхнього шару зміщаються щодо нижнього одночасно й на ту саму
величину.
Поки взаємний зсув (рис.4.14,б), зростаючи, залишається менше половини
відстані між атомами (а/2), сили взаємодії між ними перешкоджають зсуву.
Як тільки цей зсув перевищить відстань а/2, сили взаємодії починають
сприяти зсуву ґрат у нове стійке положення рівноваги. Пластична
деформація відбудеться в результаті зсуву частини ґрати на відстані,
кратні а (рис.4.14,в). Найменша пластична деформація відповідає зсуву
на а. У результаті таких зсувів кожний попередній атом займає місце
наступного, всі атоми виявляються на місцях, властивим даним
кристалічним ґратам. Кристал зберігає свої властивості, змінюючи лише
конфігурацію.
Точні теоретичні розрахунки, засновані на подібній картині деформації,
дозволяють визначити максимальні дотичні напруження, які повинні
виникнути в кристалі, щоб з’явилася пластична деформація. У дійсності
вона починає утворюватися при напругах, у сотні разів менших, чим дає
теорія. Така розбіжність між теоретичним і дійсним опором зсуву в
кристалах пояснюється тим, що перехід атомів з одного положення в інше
відбувається не одночасно, a у часі, подібно хвилі, з місцевими
перекручуваннями ґрат, що називають дислокаціями.
На рис.4.15,а показана так звана крайова дислокація. Верхня частина ґрат
зрушена щодо нижньої на одну міжатомну відстань, причому, зафіксоване
положення, коли зрушення охопило ще не всю площину ковзання. У
результаті з’явилося перекручування ґрат: одна вертикальна атомна
площина верхньої половини не має продовження в нижній.
а б
Рис.4.15. Дислокації
Реальні кристали або із самого свого виникнення містять дислокації, або
мають якісь інші недосконалості й у них дислокації утворяться вже при
низьких напругах зрушення.
Тому-то при низьких напругах дислокації рухаються через кристалічні
ґрати, отчого й відбувається пластична деформація кристала. Після того
як дислокація вийде назовні кристала, форма його зміниться, але
структура залишиться колишньої (рис.4.15,б). Виникають нові дислокації й
рухаються через кристал. Сумарно результат цих ковзань у зернах
проявляється у вигляді пластичної деформації зразка.
Переміщення дислокації через кристал можна вподібнити руху складки по
килимі. Коли складка пройде через весь килим, він буде трохи зрушений.
Сила, необхідна для переміщення складки, істотно менше тої, яка
потрібна, щоб зрушити весь килим цілком.
Так теорія дислокацій пояснює механізм утворення пластичних деформацій і
розбіжність між теоретичною й дійсною міцністю металів.
При масовій пластичній деформації дислокації, що рухаються в
кристалічних ґратах по пересічних площинах, утворять нерухомі пороги,
тому переміщення дислокацій гальмується. Сумарно це проявляється у
вигляді зміцнення металу після певної пластичної деформації.
Поява зрушень у кристалічних ґратах, що приводять до пластичної
деформації, не виключають перекручувань кристалічних ґрат, що
відповідають пружним деформаціям. Це підтверджується тим, що при
будь-якій стадії деформації зразка, аж до розриву, повна деформація
складається із пружної й пластичної.
Підвищення опору руху дислокацій призводить до збільшення міцності
металу. Цього досягають введенням у метали спеціальних домішок,
термічною обробкою, наклепом і т.п. У цей час вже створені метали, що не
мають дефектів кристалічних ґрат. Отримано бездислокаційні нитковидні
металеві кристали («вуса»), що володіють дуже високою міцністю, яка
наближається до теоретичної.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
