Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Некоторые существенные свойства металлических материалов, например характеристики излома, упругость, пластичность и характеристика перемагничивания, зависят от направления. Так, пластическая деформация металлов происходит благодаря проскальзыванию различных плоскостей, занятых атомами, в преобладающих направлениях (рис. 6.2.5). Как следствие такого пластического проскальзывания на полированных образцах становятся видимыми линии или полосы скольжения. Полосы скольжения возникают благодаря соединению нескольких линий скольжения на узком пространстве.
В зависимости от типа решетки возможны различные системы скольжения, причем в качестве системы скольжения понимается совокупность плоскости и направления скольжения (рис. 6.2.6). Важнейшими типами решеток у металлических материалов являются гексагональные (г.п.у), кубические гранецентрированные (г.ц.к.) и кубические объемноцентрированные (о.ц.к.) решетки. В соответствии с различием систем скольжения в различных типах решеток по-разному проявляет себя деформируемость металлов. Гексагональные металлы имеют в качестве наиболее плотно упакованной плоскости основную (базисную) плоскость (0001), которая всегда рассматривается как плоскость скольжения. Таким образом, у этих материалов встречается в основном только эта плоскость скольжения. Гексагональные металлы демонстрируют поэтому по сравнению с другими металлами более низкую деформируемость. Так, например, прокат гексагонального цинка требует специальных конструкций прокатных станов с особенно тонкими валками, как это реализовано, например, на планетарных прокатных станах или на прокатных станах Сендзимира.
В г.ц.к.-решетке скольжение происходит в плоскости октаэдра {111}, а в этих плоскостях в направлениях скольжения [110], которые характеризуются как направления с самой плотной упаковкой атомов. Различными комбинациями возможных плоскостей и направлений скольжения в кубически гранецентриро-ванной решетке создается 12 систем скольжения. Многообразие этих возможностей скольжения обусловливает хорошую деформируемость таких г.ц.к.-металлов, как алюминий, медь или никель.
У о.ц.к.-решеток системы скольжения не определяются столь однозначно, как в г.ц.к.-системе. Здесь направлением скольжения всегда является заполненная наиболее плотно диагональ куба, [111], однако возможными для скольжения оказываются и другие плоскости. Наиболее часто скольжение у
о.ц.к.-металлов происходит в плоскостях {110}, {112} и {123}. Эта смена систем скольжения во время деформации проявляется у о,ц.к.-металлов в виде неравномерных и волнистых полос скольжения.
Для того чтобы вызвать скольжение на плоскости скольжения и внутри этой плоскости в направлении скольжения, нужно лишь превысить критическое напряжение сдвига в этом направлении.
Напряжение сдвига τ можно вычислить в системе скольжения из величины и направления внешнего напряжения растяжения σ с помощью закона сдвигающих напряжений Шмида. Для этого должен быть известен угол φ между направлением нагрузки и плоскостью скольжения, а также угол ψ между направлением скольжения и направлением нагрузки (рис. 6.2.7). Получается
τ = σ sin φ cos ψ
Произведение sin φ cos ψ называется коэффициентом Шмида или коэффициентом ориентации.
Закон напряжения сдвига Шмида гласит, что два монокристалла из одинакового материала, но с разной ориентировкой обладают одинаковым критическим напряжением сдвига τhkl, однако их пределы текучести, измеренные при испытании на растяжение, различны соответственно коэффициенту ориентировки. В кристаллографических системах с несколькими системами скольжения закон напряжения сдвига Шмида определяет систему скольжения, в которой при заданном внешнем напряжении соскальзывание начинается в той, в которой быстрее достигается критическое напряжение сдвига.
Четко выраженная зависимость от направления важных свойств в отдельном кристаллите быстро стирается в беспорядочно ориентированном поликристаллическом образовании (рис. 6.2.8, а) с ростом числа отдельных кристаллитов. Благодаря таким процессам деформации, как прокатка и вытяжка, кристаллиты ориентируются по их преимущественным плоскостям скольжения и направлениям, так что поликристаллический материал получает зависимость от направления (см. рис. 6.2.8, б). Эта ориентация кристаллического образования называется текстурой.
Текстуры в технических материалах после обработки отжигом для устранения воздействий деформации не всегда устраняются. Это получается из-за зависимостей нового образования кристаллов от прежних ориентаций и благодаря очистке от примесей в технических материалах. Для оценки свойств материала поэтому ставится задача по возможности оценить текстуры в количественном отношении. Для этого служат так называемые полюсные фигуры. Чтобы пояснить принципиальное существование полюсной фигуры, следует рассмотреть прокатанную жесть (рис. 6.2.9).
Геометрия этой фигуры определяется направлением прокатки, перпендикулярным к нему направлением и плоскостью прокатки. Мысленно каждый отдельный кристаллит жести друг за другом при сохранении своей ориентировки проектируется в центр шара, экваториальная плоскость которого совпадает с плоскостью прокатки. Затем проводится нормаль на семейство сетевых плоскостей, например на семейство (100), и отмечается точка пересечения P нормали со сферой. Если кристаллиты жести распределены совершенно беспорядочно, то сферическая поверхность совершенно равномерно заполняется множеством точек проекций. При наличии текстуры, напротив, отдельные кристаллы имеют преимущественную ориентировку и количество точек проекции имеет на некоторых местах сферической поверхности повышенную плотность. Если же количество точек пересечения отображается на поверхности северного полушария сферы с помощью стереографической проекции на внутреннюю часть экваториального круга, то возникает полюсная фигура, в нашем случае (100) — полюсная фигура. Обычно для большей наглядности точки одинаковой плотности соединяются друг с другом кривыми (рис. 6.2.10).
Текстуры в деталях могут быть нежелательными или полезными в зависимости от применения. Так, текстуры могут, например, полезно использоваться при нагрузке на деталь, зависимой от направления, или при процессах деформации, как, например, при глубокой вытяжке сложных деталей. Анизотропия намагничиваемости и ее зависимость от текстуры находят практическое применение при ориентированной зернистой структуре трансформаторной жести, где с помощью целесообразного установления текстуры можно значительно уменьшить потери при перемагничивании.
Характерным для действия текстур, на механические свойства является образование фестонов при глубокой вытяжке ротационно-симметричных тел, например при глубокой вытяжке цилиндрических колпачков (рис. 6.2.11).
Кроме монокристаллических и поликристаллических материалов, имеются также такие, атомы которых не дислоцированы в равномерной пространственной решетке кристаллической структуры. Такие материалы, называемые аморфными, получаются путем закалки из расплава, причем недислоцированная структура жидкого состояния, так сказать, заморожена. Прототипом такой "переохлажденной жидкости" является стекло, отчего аморфные материалы также называются стеклами. Так, аморфными материалами, например, называются также металлические стекла.