2.2 Природа и механизм пластической деформации и разрушения металла

Пластическая деформация металлов осуществляется в основном путем параллельного смещения тонких слоев (скольжение). При этом производится некоторая механическая работа, затрачиваемая на деформацию тела, которая превращается в энергию трех видов: кинетическую, тепловую и потенциальную.

Потенциальная энергия состоит в свою очередь из двух частей: упругой (обратимой) и поглащенной (необратимой).

Упругая часть потенциальной энергии вызывает изменение межатомных расстояний вещества. После прекращения действия внешней силы атомы вновь занимают исходное положение устойчивого равновесия, а упругая часть потенциальной энергии полностью или частично возвращается в виде механической работы.

Поглощенная часть потенциальной энергии остается в теле после снятия нагрузки, вызывая искажения кристаллической атомной решетки.

Пластическое течение может начаться лишь после того, что как накопленная в теле потенциальная энергия превысит некоторую величину, которая зависит от физических свойств деформируемого вещества и от термомеханического режима деформирования (температуры, скорости и напряженно-деформированного состояния).

Многочисленными опытами было установлено, что при больших деформациях, которые характерны для большинства процессов обработки металлов давлением, подавляющая часть затраченной механической работы переходит в тепловую энергию.

При достаточно большой длительности процесса формоизменения тепловая энергия рассеивается в окружающую среду, не вызывая существенного повышения температуры тела. При малой длительности процесса тепловая энергия не успевает рассеяться, что заметно повышает среднестатистическую температуру в очаге интенсивной пластической деформации.

При динамическом характере приложения нагрузки преимущественное развитие тепла происходит по плоскостям наиболее интенсивных сдвигов. На этих плоскостях температура может значительно превысить среднестатистическую температуру всего тела и достигнуть критического значения, при котором в металле происходят внутренние превращения.

Разогрев металла может оказать существенное влияние на процесс пластического деформирования, вызывая сложные физико-химические явления.

Как известно, под влиянием внешних сил в деформируемом теле возникают внутренние силы сопротивления, которые характеризуются величиной интенсивности, действующей на элементарную площадку, и называются напряжениями:

(2.8)

В общем случае направление и величина напряжения зависят от выбранного положения площадки в теле и от ее ориентации.

Вообще же напряженное состояние в какой-либо точке деформируемого тела характеризуется тремя главными нормальными напряжениями и направлениями главных осей, таким образом, существует девять видов напряженного состояния: четыре объемных (трехосных), три плоских (двухосных) и два линейных (одноосных).

Схема напряженного состояния влияет на способность металла претерпевать необратимые деформации не разрушаясь и на величину внешней силы, которую необходимо приложить для осуществления остаточной деформации заданной величины.

Деформирование в условиях одноименного объемного напряженно-деформированного состояния требует большее усилие, чем в условиях разноименного напряженного состояния при прочих равных условиях.

Кроме напряжений, деформированное состояние в какой-нибудь точке характеризуется тремя главными деформациями и тремя направлениями осей деформации. Возможны три вида деформированного состояния: плоское и два объемных.

Таким образом, один и тот же вид напряженного состояния может сочетаться с различными видами деформированного состояния. Напряженно-деформированное состояние, соответствующее тому или иному способу формоизменения обычно называют механической схемой деформации, что может быть положено в основу классификации различных процессов обработки металлов давлением.

При некоторой определенной величине напряжений наступает предельное состояние текучести, при котором начинается плоское пластическое формоизменение. При дальнейшем росте напряжений и деформаций наступает второе предельное состояние – разрушение тела.

Тело, пластическая деформация которого осуществляется при постоянной величине сопротивления деформированию, называют идеально пластичным телом.

Так как процессы обработки металлов давлением обычно осуществляются в условиях сложного напряженного состояния, то большое значение при разработке методов анализа и расчета приобретает формулировка условия, определяющего переход деформируемого тела из упругого в пластическое состояние (условие текучести) в зависимости от вида напряженного состояния. Существует несколько гипотез, характеризующих условия перехода металла в пластическое состояние. Наиболее обоснованным экспериментально является условие пластичности Мизеса-Губера.