Природа упрочняющего эффекта при поверхностном пластическом деформировании

Признание получило объяснение явления деформационного уп­рочнения на основе атомного механизма пластической деформации, где главенствующее место принадлежит теории дислокаций. Дисло­кационная теория упрочнения основывается на общих предположе­ниях о вкладе неподвижных и свободных дислокаций в формирова­
ние внутренних напряжений и их роли в пластической деформации, связывает механизм деформационного упрочнения с образованием барьеров для движущихся дислокаций от взаимодействия полей на­пряжения дислокаций между собой и другими дефектами кристаллической решетки. С ростом степени деформации плотность дислокаций увеличивается. В результате пластической деформации поверхностного слоя происходит искажение кристаллической решет­ки с увеличением числа дефектов, сопровождающееся изменением суб — и микроструктуры металла, его напряженного состояния. Раз­личают, как известно, напряжения I, II и III рода (соответственно: макронапряжения, микронапряжения и субмикронапряжения). Ис­кажения кристаллической решетки в области пачки скользящих сле­дов создают остаточные напряжения III рода (субмикронапряжения), а сохраняющиеся напряжения между зернами поликристалла, воз­никающие в результате их неоднородной деформации, относятся к остаточным напряжениям II рода (микронапряжения). При дефор­мировании в металле поверхностного слоя количество дислокаций, вакансий и других несовершенств кристаллической решетки резко увеличивается, повышая его напряженное состояние.

Пластическая деформация отдельного кристалла осуществляет­ся скольжением и двойникованием. Скольжение в кристалличес­кой решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где со­противление сдвигу минимально.

Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоско­стями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости сколь­жения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образу­ют систему скольжения.

На начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществ­ляется движением дислокаций по од­ной системе плоскостей — стадия лег­кого скольжения (рис. 2.1). Дислока­ции на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на
большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значительного роста действующих напряжений (I стадия деформа­ционного упрочнения). После этого начинается стадия множествен­ного скольжения — движение дислокаций в двух и более системах. На этой стадии после значительной деформации дислокационная структура металла усложняется, и плотность дислокаций («лес» дис­локаций) возрастает по сравнению с исходным состоянием на четы­ре—шесть порядков, достигая 10П..Л012 см 2. Дислокации, движу­щиеся в деформированном металле, порождают большое число дис­лоцированных атомов и вакансий, которые оказывают большое сопротивление движению дислокаций, они тормозятся, и для их про­движения внешнее напряжение должно резко возрасти. Некоторые из дислокаций останавливаются и закрепляются (И стадия дефор­мационного упрочнения). Под влиянием все возрастающего напря­жения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т. е. скольжение с переходом из одной разрешенной плоскости скольже­ния в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке их в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций мень­ше, чем в стенках ячеек. На III стадии деформации происходит так называемый динамический возврат, который приводит к уменьше­нию деформационного упрочнения.

Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плот- ноупакованные решетки, кроме скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентации части крис­талла в положение, симметричное по отношению к первой части, относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование, подобно скольжению, сопровождается прохождени­ем дислокаций сквозь кристалл. По сравнению со скольжением двой­никование имеет меньшее значение. В металлах с гранецентрирован­ной кубической и объемно-центрированной кубической решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформи­рования и низких температурах. Двойниковая граница, как и межзе — ренная, из-за различия в ориентировке плоскостей скольжения по обе стороны от нее, является барьером для скользящих дислокаций.

Пластическая деформация поликристаллического металла про­текает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольже­ния) или двойникования. При нагружении в металле происходит пластическая деформация каждого зерна. Плоскости и направления скольжения в каждом зерне различные. При увеличении внешней силы скольжение первоначально начинается в наиболее благоприятно ори­ентированных зернах, где достигнуто критическое касательное напря­жение. Движение дислокаций, начавшееся в одном зерне, не может переходить в соседнее зерно, так как межзеренная граница является весьма эффективным барьером для дислокаций. Барьерное действие границы обусловлено тем, что при переходе через нее изменяется ори­ентировка плоскости скольжения, а сама граница представляет собой область неупорядоченного расположения атомов. Поэтому скользя­щая дислокация, дойдя до межзеренной границы, останавливается. Следующая дислокация, скользящая в той же плоскости по направле­нию к границе зерен, будет испытывать отталкивание со стороны поля упругих напряжений ранее остановившейся дислокации и после не­которого сближения с ней также полностью затормозится и т. д. Око­ло межзеренной границы, как около барьера, возникает нагроможде­ние дислокаций. Напряжения от их нагромождения в одном зерне уп­руго распространяются через границу и могут привести в действие источники Франка-Рида в соседнем зерне. Следовательно, пластичес­кая деформация передается от зерна к зерну не переходом скользя­щих дислокаций через границу, а эстафетным путем. Так как грани­цы зерна тормозят движение дислокаций, в поликристаллическом металле I стадия деформационного упрочнения практически от­сутствует, а во II стадии коэффициент упрочнения выше, чем в моно­кристалле.

При росте степени деформации, в результате процессов сколь­жения, зерна меняют свою форму. Например, до деформации зерно имело округлую форму (рис. 2.2, а), после деформации, в результате смещения по плоскостям скольжения, зерна вытягиваются в направ­лении действующих сил, образуя структуру, называемую текстурой деформации (рис. 2.2, 6).

При этом деформирование связано с формированием новых ка­налов диссипации, т. е. с развитием фрагментированной структуры и пластическими поворотами. Происходит процесс самоорганиза­ции, при котором осуществляется переход к кооперативному дви­жению дефектов и формирование диссипативных структур.

Густая сеть дислокаций перестраивается в границы субзерен. Каж­дое субзерно будет слегка повернуто по отношению к своему бли­
жайшему соседу, и нарастающие разориентировки накапливаются, вплоть до конечного поворота де­формированной зоны (III стадия деформационного упрочнения).

Образование стенок дислока­ций, приводящее к делению кри­сталла на субзерна-полигоны (многоугольники), называют по — лигонизацией (рис. 2.3). Поля уп­ругих напряжений отдельных дис­локаций в стенке, накладываясь, в значительной степени взаимно уничтожаются. Этим и обеспечи­вается стабильность стенки.

Границы субзерен, как дислока­ционные барьеры, значительно ме­нее эффективны, чем межзеренные границы. В то же время отдельные дислокации из дислокационной стен­ки (границы субзерна) могут выби­ваться скользящей дислокацией. Чем больше угол разориентировки со­седних субзерен, тем ближе одна к другой и сильнее связаны дислокации в стенке, и эффективнее барьерное действие субзеренной границы.

Таким образом, по мере развития пластической деформации по разным причинам усиливается торможение дислокаций, что обус­ловливает наклёп (под наклепом понимают упрочнение металла в результате пластической деформации).

Скольжение частей кристалла между собой приводит к возник­новению шероховатостей на плоскостях скольжения, что тормозит или затрудняет их дальнейшее перемещение. Взаимодействие полей напря­жений дислокаций между собой или прочими дефектами кристалличе­ской решетки повышает сопротивляемость движению дислокаций, что в совокупности с рассмотренными явлениями увеличивает сопротив­ление пластической деформации. Металл упрочняется. В конечном счете упрочнение заключается во взаимных перемещениях слоев или частей металла. Количество дефектов в кристаллической решетке зависит от степени пластической деформации и уменьшается с глубиной рассматри­ваемого слоя от поверхности. В поверхностном слое при его деформа­ции возрастают все характеристики сопротивления материала дефор­мации (предел прочности, текучести, упругости, усталости, твердость и др.). Пластичность понижается, т. е. металл охрупчивается.

У всех металлов или сплавов пластическая деформация в холод­ном состоянии осуществляется только движением дислокаций. Кро­ме увеличения плотности дислокаций, количества вакансий, проис­ходит измельчение зерен, образование текстуры. С большим искаже­нием кристаллической решетки уменьшается необходимое количество энергии для отрыва атома от узла, процесс диффузии облегчается, и ее скорость возрастает. При неправильно выбранных режимах упроч­няющей обработки поверхностным пластическим деформированием наблюдается явление перенаклёпа, которое ведет к разупрочнению поверхностного слоя. Объясняется перенаклёп ограниченностью кри — сталлической решетки к упрочнению. При достижении определенной плотности дислокаций возникают субмикроскопические трещины, приводящие к понижению твердости металла и даже шелушению по­верхности. Перенаклёп является необратимым процессом и резко сни­жает эксплуатационные свойства металла. Говоря о природе упроч­няющего эффекта ППД, следует рассматривать параметры, сопровож­дающие этот процесс. К основным параметрам, характеризующим процесс ППД, относятся: упругая и пластическая деформация; сила воздействия на деформирующий инструмент; возникающие при этом напряжения; кратность приложения нагрузки.

В зависимости от способа и режимов обработки деформирован­ный (наклепанный) слой может распространяться на глубину 1 мм и более. Характер распределения показателей микротвердости по глу­бине деформационного упрочнения обусловливается превращения­

ми, происходящими в поверхностном слое. Деформационное упроч­нение закаленных сталей вызвано увеличением плотности структур­ных несовершенств, превращением остаточного аустенита и диспер­сионным твердением, т. е. выделением из мартенсита под влиянием пластической деформации высокодисперсных карбидов.

Фазовые превращения, сопровождающиеся изменением соотно­шения между удельными объемами структурных элементов, приво­дят к возникновению дополнительных и перераспределению оста­точных напряжений в поверхностном слое детали. При наклёпе воз­никают, как правило, сжимающие остаточные напряжения, величина и характер распределения которых также зависят от режимов плас­тической деформации и свойств обрабатываемого материала.

Повышение энергетических возможностей методов ППД приводит к снижению уровня сжимающих остаточных напряжений на поверх­ности и смещению максимальных напряжений в более глубокие слои.

В соответствии с ГОСТ 18296-72 методы ППД подразделяют на статические и ударные.

При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с опреде­ленной постоянной силой Я, происходит плавное перемещение оча­гов (очага) воздействия, которые последовательно проходят всю по­верхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы не оказывают существенного влияния на ППД.

При ударных методах инструмент, рабочие тела или среда много­кратно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть. При этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р] до максимума. В случае ло­кального ударного воздействия очаг деформирования может (как и в статических методах) последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность.

Деформационное упрочнение при обработке различными спосо­бами ППД имеет достаточно общий механизм, описанный выше. От способа ППД в основном зависит приоритет тех или иных факторов упрочнения в формировании качества поверхностного слоя. Выбор метода и решений ППД определяется материалом, конфигурацией, размерами и условиями работы детали, требованиями к структуре в поверхностном слое, степени и глубине наклепа, характеру распреде­ления остаточных напряжений и геометрии рельефа поверхности.