Пластическая деформация

Пластическая деформация — это необратимое изменение формы и размеров твёрдого тела под действием внешних сил, сохраняющееся после прекращения их действия. В отличие от упругой деформации, при которой тело полностью восстанавливает исходную геометрию после снятия нагрузки, пластическая деформация связана с необратимыми смещениями атомов или молекул в кристаллической решётке или аморфной структуре материала. Явление лежит в основе многих технологических процессов обработки металлов давлением (ковка, прокатка, штамповка) и определяет механическое поведение конструкционных материалов при эксплуатации.

Физическая природа

Пластическая деформация в кристаллических телах происходит преимущественно за счёт движения дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки. Под действием касательных напряжений дислокации перемещаются, вызывая сдвиг одной части кристалла относительно другой. Этот процесс требует значительно меньших напряжений, чем одновременный сдвиг целого атомного слоя, что объясняет относительно низкую прочность реальных кристаллов по сравнению с теоретической.

В поликристаллических материалах (большинство металлов и сплавов) пластическая деформация осложняется наличием границ зёрен. Границы служат препятствиями для движения дислокаций, что приводит к их накоплению и упрочнению материала (наклёпу). При деформации зёрна поворачиваются и вытягиваются в направлении действия максимальных растягивающих напряжений, формируя текстуру деформации.

В аморфных телах (стёкла, полимеры) пластическая деформация реализуется иначе — через перегруппировку атомов или макромолекул без дальнего порядка. В полимерах она может быть связана с развёртыванием и ориентацией молекулярных цепей.

Основные характеристики

Предел текучести

Предел текучести — напряжение, при котором начинается пластическая деформация. Для материалов с чётко выраженной площадкой текучести (например, малоуглеродистая сталь) это значение легко определяется по диаграмме растяжения. Для большинства конструкционных материалов условный предел текучести (σ₀,₂) соответствует напряжению, при котором остаточная деформация достигает 0,2 %.

Деформационное упрочнение (наклёп)

В процессе пластической деформации плотность дислокаций возрастает, что затрудняет их дальнейшее движение и повышает сопротивление деформации. Это явление называется наклёпом или деформационным упрочнением. Наклёп сопровождается ростом твёрдости и прочности, но снижением пластичности и ударной вязкости. Снятие наклёпа достигается термической обработкой — рекристаллизационным отжигом.

Скоростная зависимость

Сопротивление пластической деформации зависит от скорости нагружения. При высоких скоростях (ударные нагрузки, взрывная обработка) предел текучести может возрастать в несколько раз. В металлах это связано с вязким торможением дислокаций, а в полимерах — с вязкоупругими свойствами.

Виды пластической деформации

По характеру нагружения

• Растяжение — удлинение образца, сопровождающееся сужением поперечного сечения (образование шейки на последней стадии).
• Сжатие — уменьшение высоты и увеличение поперечных размеров. Характерен для ковки и осадки.
• Сдвиг — смещение одной части тела относительно другой параллельно плоскости действия касательных напряжений.
• Кручение — деформация, при которой происходит поворот поперечных сечений относительно оси.
• Изгиб — сочетание растяжения и сжатия в разных зонах сечения.

По температурным условиям

• Холодная деформация — осуществляется при температурах ниже температуры рекристаллизации (обычно 0,3–0,4 от температуры плавления в Кельвинах). Сопровождается наклёпом и изменением структуры.
• Горячая деформация — ведётся при температурах выше температуры рекристаллизации. В процессе деформации одновременно протекают рекристаллизация и возврат, что предотвращает наклёп и позволяет получать большие степени деформации без разрушения.
• Тёплая деформация — промежуточный режим, при котором частично сохраняется наклёп, но снижается сопротивление деформации.

По степени однородности

• Однородная — деформация распределена равномерно по объёму тела (например, растяжение гладкого образца до момента образования шейки).
• Локальная — деформация сосредоточена в ограниченной зоне (образование шейки, полосы сдвига, зоны пластичности у вершины трещины).

Механизмы пластической деформации в металлах

Дислокационное скольжение

Основной механизм при комнатной и умеренной температурах. Дислокации движутся по кристаллографическим плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью упаковки атомов. В ГЦК-решётке (алюминий, медь, никель) скольжение происходит по плоскостям {111} в направлениях <110>. В ОЦК-решётке (железо, вольфрам) — по плоскостям {110}, {112}, {123} в направлениях <111>.

Двойникование

При низких температурах или высоких скоростях деформации, когда скольжение затруднено, деформация может осуществляться путём двойникования — образования зеркально-симметричных областей кристалла. Двойникование характерно для цинка, магния, титана и некоторых сталей при ударных нагрузках.

Диффузионные механизмы

При высоких температурах (выше 0,5 Tпл) существенную роль играют диффузионные процессы: переползание дислокаций, диффузионная ползучесть (Набарро — Херринга, Кобла). Эти механизмы обеспечивают сверхпластичность — способность некоторых материалов деформироваться на сотни процентов без разрушения.

Пластическая деформация полимеров

В аморфных полимерах (полистирол, полиметилметакрилат) пластическая деформация при температурах ниже температуры стеклования может происходить путём образования полос сдвига и крейзов (микротрещин, заполненных вытянутыми фибриллами). В кристаллизующихся полимерах (полиэтилен, полипропилен) деформация сопровождается ориентацией кристаллитов и аморфных областей вдоль направления растяжения.

Важной особенностью полимеров является высокая вязкоупругая составляющая: часть деформации может быть обратимой во времени (ползучесть и релаксация напряжений). Пластическая деформация полимеров сильно зависит от температуры и скорости нагружения.

Пластическая деформация горных пород

В геологии и геомеханике пластическая деформация горных пород изучается в контексте тектонических движений и формирования складчатых структур. При высоких давлениях и температурах (глубинные слои земной коры) породы ведут себя пластично, что приводит к образованию складок, кливажа и тектонических разрывов. В приповерхностных условиях большинство горных пород хрупки, но при наличии порового давления флюидов могут проявлять пластические свойства.

Технологическое значение

Пластическая деформация является основой большинства методов обработки металлов давлением:

• Прокатка — обжатие заготовки между вращающимися валками (листовой прокат, сортовой прокат).
• Ковка — свободная деформация нагретой заготовки под ударами молота или давлением пресса.
• Штамповка — деформация заготовки в полости штампа для получения деталей сложной формы.
• Волочение — протягивание заготовки через сужающийся канал (проволока, трубы).
• Прессование — выдавливание материала через матрицу (профили, прутки).

Эти методы позволяют не только придавать изделиям требуемую форму, но и улучшать механические свойства за счёт упрочнения и формирования благоприятной текстуры.

Разрушение и пластичность

Способность материала к пластической деформации без разрушения называется пластичностью. Она количественно оценивается относительным удлинением (δ) и относительным сужением (ψ) при разрыве. Высокая пластичность необходима для штамповки, гибки, вытяжки. Хрупкие материалы (чугун, керамика, закалённая сталь) разрушаются при малых пластических деформациях.

Переход от пластичного к хрупкому разрушению может происходить при снижении температуры, увеличении скорости нагружения, наличии концентраторов напряжений (надрезы, трещины) или радиационного облучения. Это явление называется хладноломкостью и критически важно для конструкций, работающих в условиях низких температур (трубопроводы, мосты, корпуса судов).

Методы исследования

Для изучения пластической деформации применяются:

• Механические испытания — растяжение, сжатие, кручение, твёрдость.
• Металлография — изучение микроструктуры до и после деформации (вытянутые зёрна, полосы скольжения, двойники).
• Рентгеновская дифракция — анализ текстур и остаточных напряжений.
• Просвечивающая электронная микроскопия — наблюдение дислокационных структур.
• Акустическая эмиссия — регистрация упругих волн, возникающих при движении дислокаций и микротрещинообразовании.

Источники

• Фридель Ж. Дислокации. — М.: Мир, 1967.
• Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. — М.: Мир, 1970.
• Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. — М.: Мир, 1972.
• Диаграммы состояния и механические свойства сплавов / Под ред. И. И. Новикова. — М.: Металлургия, 1985.
• Бернштейн М. Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов. — М.: Металлургия, 1979.