Пластическое деформирование¶

Пластическое деформирование (пластическая деформация) — это необратимое изменение формы и размеров твёрдого тела под действием внешних сил или внутренних напряжений, при котором после снятия нагрузки первоначальная геометрия не восстанавливается. В отличие от упругой деформации, пластическая связана с необратимыми смещениями атомов или молекул в кристаллической решётке или аморфной структуре материала. Пластическое деформирование является основой многих технологических процессов обработки металлов давлением, а также определяет механическое поведение конструкционных материалов при превышении предела текучести.

¶Физическая природа пластического деформирования

¶Механизмы в кристаллических материалах

В металлах и сплавах пластическая деформация реализуется преимущественно через движение дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки. Под действием касательных напряжений дислокации перемещаются по плоскостям скольжения, вызывая сдвиг одной части кристалла относительно другой. Этот процесс происходит при напряжениях, значительно меньших теоретической прочности идеального кристалла.

Дополнительными механизмами являются:

• Двойникование — образование зеркально-симметричных областей кристалла при деформации, характерное для некоторых металлов (цинк, титан) при низких температурах или высоких скоростях нагружения.
• Диффузионное течение — перемещение атомов под действием напряжений при высоких температурах (ползучесть).

¶Механизмы в аморфных и полимерных материалах

В аморфных телах (стёкла, полимеры) пластическое деформирование связано с перегруппировкой молекулярных цепей или образованием микротрещин. В полимерах различают:

• Вынужденно-эластическую деформацию — ориентацию макромолекул вдоль направления растяжения, которая может быть частично обратимой при нагреве.
• Пластическое течение — необратимое скольжение цепей друг относительно друга.

¶Классификация видов пластического деформирования

¶По температурному режиму

• Холодное деформирование — выполняется при температуре ниже температуры рекристаллизации (обычно 0,3–0,4 от температуры плавления в Кельвинах). Сопровождается наклёпом (упрочнением) материала.
• Горячее деформирование — осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации. Процессы упрочнения и разупрочнения (рекристаллизация) протекают одновременно, что позволяет получать изделия без значительного наклёпа.
• Тёплое деформирование — промежуточный режим (0,4–0,6 от температуры плавления), при котором частично сохраняется упрочнение.

¶По характеру напряжённого состояния

• Сжатие — осадка, штамповка, прокатка.
• Растяжение — вытяжка, волочение.
• Изгиб — гибка листов и профилей.
• Кручение — скручивание прутков и труб.
• Сдвиг — срез, резка.

¶По скорости деформации

• Статическое деформирование — медленное нагружение (скорость деформации менее 10⁻³ с⁻¹).
• Динамическое деформирование — ударное нагружение (скорость деформации 10²–10⁴ с⁻¹), характерное для ковки, штамповки на молотах.
• Высокоскоростное деформирование — взрывная штамповка, магнитно-импульсная обработка (скорость деформации >10⁴ с⁻¹).

¶Основные характеристики пластичности

Пластичность материала оценивается по механическим испытаниям:

• Относительное удлинение (δ) — увеличение длины образца при разрыве, выраженное в процентах.
• Относительное сужение (ψ) — уменьшение площади поперечного сечения в месте разрыва.
• Предел текучести (σₜ) — напряжение, при котором начинается пластическое течение (для материалов с чёткой площадкой текучести).
• Условный предел текучести (σ₀,₂) — напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,2 % (для материалов без площадки текучести).

¶Технологические процессы, основанные на пластическом деформировании

¶Обработка металлов давлением

Наиболее распространённая область применения пластического деформирования. Основные процессы:

• Прокатка — обжатие заготовки между вращающимися валками. Применяется для производства листов, полос, профилей (рельсы, балки), труб.
• Ковка — свободное деформирование нагретой заготовки ударами молота или давлением пресса. Используется для изготовления крупных поковок (валы, роторы, диски).
• Штамповка — деформирование заготовки в полости штампа. Различают горячую (объёмную) штамповку (детали сложной формы — коленчатые валы, шатуны) и холодную листовую штамповку (кузова автомобилей, корпуса приборов).
• Волочение — протягивание заготовки через сужающееся отверстие (фильеру). Применяется для получения проволоки, прутков, труб малого диаметра.
• Прессование (экструзия) — выдавливание материала через матрицу. Используется для изготовления профилей из алюминиевых сплавов и пластиков.

¶Пластическое деформирование полимеров

• Экструзия — непрерывное выдавливание расплава полимера через формующую головку (производство труб, плёнок, профилей).
• Литьё под давлением — впрыск расплава в пресс-форму, где материал застывает под давлением.
• Вакуумное формование — нагрев листа термопласта и его прижатие к форме вакуумом.

¶Влияние пластического деформирования на свойства материалов

¶Наклёп (деформационное упрочнение)

При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает, что затрудняет их дальнейшее движение. В результате повышаются прочность и твёрдость, но снижаются пластичность и ударная вязкость. Наклёп используется для упрочнения поверхностных слоёв (дробеструйная обработка, накатка).

¶Текстура деформации

При значительных степенях деформации (более 50–70 %) кристаллы приобретают преимущественную ориентацию — возникает кристаллографическая текстура. Это приводит к анизотропии механических свойств: прочность и пластичность в разных направлениях могут различаться в 2–3 раза.

¶Рекристаллизация

При нагреве деформированного металла выше температуры рекристаллизации образуются новые, неискажённые зёрна. Процесс снимает наклёп, восстанавливая пластичность и снижая прочность. Рекристаллизация используется в отжиге для подготовки материала к дальнейшей деформации.

¶Пластическое деформирование в конструкциях

¶Предельные состояния

В строительной механике и машиностроении пластическое деформирование учитывается при расчёте несущей способности конструкций. Различают:

• Упругое состояние — деформации полностью обратимы.
• Упругопластическое состояние — часть сечения работает в пластической области.
• Пластический шарнир — зона полного исчерпания несущей способности в изгибаемом элементе.

Расчёт по предельным пластическим состояниям (метод предельного равновесия) позволяет более полно использовать несущую способность материала по сравнению с упругим расчётом.

¶Хрупкое разрушение

При определённых условиях (низкие температуры, высокие скорости нагружения, трёхосное напряжённое состояние) пластическое деформирование может не развиваться, и материал разрушается хрупко — без заметной пластической деформации. Это явление особенно опасно для сталей с крупнозернистой структурой и для конструкций, работающих при низких температурах.

¶Интересные факты

• В 1934 году независимо друг от друга Эгон Орован, Майкл Полани и Джеффри Тейлор предложили дислокационную теорию пластичности, объяснившую разницу между теоретической и реальной прочностью кристаллов.
• Сверхпластичность — способность некоторых материалов (например, титановых и алюминиевых сплавов) при определённых температурах и скоростях деформации удлиняться на сотни и тысячи процентов без разрушения.
• Пластическое деформирование при комнатной температуре используется в методе «холодной сварки» — соединении металлов под высоким давлением без нагрева.

¶Источники

• Фридель Ж. Дислокации. — М.: Мир, 1967.
• Бернштейн М. Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов. — М.: Металлургия, 1979.
• Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. — М.: Машиностроение, 1977.
• ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.
• Диаграмма деформирования // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.