Odkształcenia sprężyste są to odkształcenia przemijające, które zanikają po od­ciążeniu (odkształcony element metalowy powraca do swego pierwotnego kształtu i wymiarów). W zakresie odkształceń sprężystych pod wpływem przyłożonego obciążenia następuje zmiana odstępów pomiędzy atomami w sieci krystalicznej. W przypadku działania sił rozciągających komórki sieciowe wydłużają się w kierunku działania tych sił, a w przypadku działania sił ściskających nieznacznie się skracają. W wyniku wzajemnego oddziaływania pomiędzy wysuniętymi ze swych położeń równowagi atomami powstają wewnątrz odkształconego materiału siły wewnętrzne, które dążą do przywrócenia stanu równowagi, i pod wpływem tych sił element metalowy po odciążeniu powraca do swego pierwotnego kształtu.

Naprężenia styczne, czyli ścinające, które powodują przemieszczanie warstw atomów względem siebie. Odkształcenia te są również w przybliżeniu proporcjonalne do naprężeń, a współczynnik proporcjonalności nazywa się modułem sprężystości poprzecznej.

Obciążenie metalu powyżej określonej granicy, zwanej granicą sprężystości, powodu­je odkształcenie plastyczne, tj. odkształcenie trwałe; odciążony element metalowy wyka­zuje trwałą zmianę kształtu. Odkształcenie plastyczne zachodzi głównie w drodze poślizgu oraz bliźniakowania.

Odkształcenie przez poślizg polega na tym, że pod wpływem sił zewnętrznych następuje przesunięcie względem siebie części kryształu wzdłuż określonych płaszczyzn sieciowych. W płaszczyznach tych metal stawia najmniejszy opór zachodzącym odkształceniom i z tego względu płaszczyzny te noszą nazwę płaszczyzn łatwego poślizgu. Wzajemne przesuwanie się części kryształu względem siebie powoduje pewne zniekształcenia sieci przestrzennej kryształu, co wpływa hamująco na ruch poślizgowy, tak że prze­nosi się on z kolei na drugą płaszczyznę o tej samej orientacji krystalograficznej. W ten sposób tworzą się stopniowo nowe płaszczyzny poślizgu oddzielone nieodkształconymi warstwami krystalicznymi. Grubość tych warstw, czyli odległość pomiędzy płaszczyznami poślizgu, jest zwykle rzędu 10 ^–3 ÷ 10 ^–5 cm.

Płaszczyznami łatwego poślizgu, w których metal stawia najmniejszy opór odkształ­ceniom, są płaszczyzny z najgęstszym ułożeniem atomów Kierunek poślizgu w płaszczyźnie łatwego poślizgu jest zgodny z kierunkiem najgęstszego ułożenia atomów.

Odkształcenie plastyczne może zachodzić także za pomocą bliźniakowania. Tego rodzaju odkształcenie zachodzi szczególnie łatwo w metalach krystalizujących w układzie regularnym płasko centrowanym (A1) i heksagonalnym zwartym (A3). Tworzenie się kryształów bliźniaczych polega na tym, że pod wpływem sił zewnętrznych część kryształu przybiera położenie będące zwierciadlanym odbiciem pozostałej części kryształu, jak to przedstawia rys. 4.8. Przesunięcie poszczególnych warstw atomów jest proporcjonalne do ich odległości od płaszczyzny bliźniaczej.

Monokryształ Odkształcenie plastyczne

Przebieg odkształcenia plastycznego w drodze poślizgu można najłatwiej obserwować przy rozciąganiu cylindrycznej próbki wykonanej z monokryształu cynku, który krys­talizuje w układzie heksagonalnym zwartym (A3) i ma tylko jedną płaszczyznę łatwego poślizgu.Pod działaniem. siły rozciągającej powstają w płaszczyźnie poślizgu naprężenia ścinające, powodujące poślizg poszczególnych warstw kryształu względem siebie.

Poślizg zaczyna się w chwili, gdy naprężenie ścinające w płaszczyźnie poślizgu, powstałe w wyniku oddziaływania na metal sił zewnętrznych, skierowane w kierunku łatwego poślizgu, osiągnie pewną minimalną wartość zwaną krytycznym naprężeniem stycznym (τ_kr).

Odkształcenie ciała polikrystalicznego

Przebieg odkształcania ciała polikrystalicznego, jakim są metale, jest bardziej złożo­ny. Sąsiedztwo ziarn o różnej orientacji krystalograficznej, jak również występowanie zanieczyszczeń na ich granicach wpływają hamująco na przebieg poślizgów w poszczególnych ziarnach. Zmianę kształtu ziarn pod wpływem rozciągania, obserwowaną na zgładzić wykonanym zgodnie z kierunkiem płynięcia metalu. W początkowej fazie odkształcania poślizgi zachodzą tylko w tych ziarnach, w których płaszczyzna poślizgu nachylona jest pod kątem 45° w stosunku do siły działającej, gdyż do ich odkształcenia, jak to już wykazano, potrzeba najmniejszej siły

Tego rodzaju struktura metalu o odkształconych ziarnach, które zależnie od rodzaju przeróbki plastycznej mogą przybierać kształt włókien lub płatków o jednakowej w przybliżeniu przestrzennej orientacji krystalograficznej, nosi nazwę tekstury, przy czym rozróżnia się teksturę walcowania, ciągnienia itp.

Mikrostrukturalnym objawem odkształceń plastycznych są linie, które można obser­wować na zgładach w ziarnach odkształconego metalu, jak to przedstawiono na rys. 4.14. Linie te są śladami płaszczyzn, wzdłuż których zachodziły poślizgi w poszczególnych ziarnach w czasie odkształcania. Noszą one nazwę linii poślizgu lub pasm poślizgu.

Dyslokacja zewnętrzna rozszerza się następnie pod wpływem naprężenia stycznego, wywołując w danej płaszczyźnie jednostkowy poślizg, tymczasem dyslokacja wewnętrzna po osiągnięciu położenia wyjściowego zaczyna się ponownie wyginać w opisany wyżej sposób, dając nową dyslokację.

Powstawanie nowych dyslokacji nie może trwać jednak nieskończenie długo, gdyż powstające pętle mogą natrafić na przeszkody hamujące ich ruch. Zależnie od rodzaju przeszkód źródło może przestać wytwarzać dyslokacje, zaniknąć całkowicie lub wznowić swoją działalność przy większych naprężeniach stycznych. Gęstość dyslokacji w metalu silnie odkształconym dochodzi do l0⁹ ÷ 10¹² cm^–2.

Zmiany, jakie zachodzą w strukturze i właściwościach metali pod wpływem odkształ­cania plastycznego na zimno, określa się pojęciem zgniotu

Na skutek odkształcenia następuje wzrost gęstości dyslokacji (10¹⁰ ÷ 10¹² cm^–2), a także wzrost stężenia defektów punktowych

Zagęszczenie dyslokacji powoduje, że ich ruch jest hamowany, czy też blokowany przez inne dyslokacje. W wyniku tego opór przeciwko dalszemu odkształceniu stop­niowo wzrasta i aby go pokonać, trzeba stosować coraz to większe siły. Zjawisko to nosi nazwę umocnienia; zachodzi ono zarówno w monokryształach, jak i w ciałach polikrystalicznych, przy czym w tym ostatnim przypadku należy jeszcze uwzględnić wpływ granic ziarn. W wyniku umocnienia właściwości wytrzymałościowe metali, jak granica plastycz­ności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość, podwyższają się, natomiast właściwości plastyczne, jak wydłużenie, przewężenie a także udarność, ulegają obniżeniu Ogólnie biorąc, na właściwo­ści wytrzymałościowe metali mają wpływ następujące czynniki:

1) siły wiązań międzyatomowych,

2) gęstość dyslokacji i innych defektów sieciowych,

3) wady struktury krystalicznej powstałe zarówno na skutek zgniotu, jak i obróbki cieplnej,

4) wielkość ziarna, submikroskopowe wydzielenia faz utwardzających, których obecność na płasz­czyznach poślizgu utrudnia odkształcanie metali.

Gdy naprężenia wywołane działaniem na monokryształ metalu sił zewnętrznych przekroczą jego wytrzymałość, następuje oddzielenie części kryształu. Zjawisko to określamy pojęciem złomu (dekohezji).

Duża gęstość dyslokacji, a także innych wad struktury sieciowej powoduje, że zgnieciony metal ma większą energię wewnętrzną niż metal odlany czy też wyżarzony i znajduje się w stanie równowagi nietrwałej. Dla większości metali taki stan wywołany zgniotem może utrzymywać się w normalnych temperaturach dowolnie długo, gdyż ruchliwość atomów jest zbyt mała, aby usunąć naprężenia występujące w sieci przestrzennej kryształu i przywrócić jej prawidłową budowę. Tylko niektóre odkształcone metale, jak cynk, ołów, cyna, kadm, stanowią w tym względzie wyjątek i już w normalnych temperaturach mogą zmieniać z czasem budowę swych odkształconych ziarn. W większości jednak przypadków dopiero po nagrzaniu, w związku ze zwiększoną ruchliwością atomów, skutki zgniotu zostają usunięte i metal odzyskuje prawidłową strukturę krystaliczną i odpowiednie właściwości, jak to przedstawia rys. 4.22. Całość zjawisk zachodzących podczas nagrzewania zgniecionego metalu dzieli się tradycyjnie na trzy etapy:

1) zdrowienie i poligonizacja,

2) rekrystalizacja pierwotna,

3) rozrost ziarn.

Przy nagrzaniu metalu do niewysokich temperatur (dla żelaza 300 ÷ 400°C) zachodzą procesy związane ze zmniejszeniem gęstości defektów punktowych oraz gęstości dys­lokacji przy zmianie w ich przestrzennym rozmieszczeniu. Procesy te obejmujemy ogólną nazwą zdrowienia. Idą one w kierunku zmniejszenia energii wewnętrznej metalu i uzys­kania stanu bliższego równowagi. Procesy te realizowane są przez:

— dyfuzję defektów punktowych do miejsc ich anihilacji

— przegrupowanie dyslokacji połączone z anihilacją dyslokacji przeciwnych znaków,

— kurczenie się pętli dyslokacyjnych.

W tej temperaturze w miejsce odkształconych ziarn krystalicznych z zaburzoną siecią przestrzenną powstają nowe ziarna krystaliczne o prawidłowej strukturze sieciowej; zmiany te można wyraźnie obserwować pod mikroskopem. Proces ten zwany jest procesem rekrystalizacji.

Kinetyka procesu rekrystalizacji polega, podobnie jak przy innych procesach krystalizacyjnych, na tworzeniu się zarodków i ich dalszym rozroście

rekry­stalizacją wtórną. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziarn kosztem ziarn drobnych. Ziarna wtórne w krótkim czasie osiągnąć mogą bardzo duże wymiary, tak że w poszczególnych przypadkach możliwe jest powstawanie pojedynczych ziarn o wielko­ści nawet do kilkuset mm².

Wielkość ziarna po przeróbce plastycznej na zimno i rekrystalizacji może być bardzo różna. Nowe ziarno metalu może być znacznie drobniejsze od ziarna przed przeróbką plastyczną, ale może być też dużo większe. Na wielkość ziarna po zgniocie i rekry­stalizacji mają wpływ następujące czynniki:

— stopień zgniotu,

— temperatura wyżarzania rekrystalizacyjnego,

— wielkość ziarna metalu przed przeróbką plastyczną,

rozkład wielkości ziarna w chwili zakończenia procesu rekrystalizacji.

Proces rozrostu ziarna zależy również od rozkładu wielkości ziarna w chwili zakończenia procesu rekrystalizacji