Лахтин_Матеориаловедение

Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис. 50). При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений в напра'влении, указанном стрелкой, атомы вблизи ядра дислокации перемещаются справа налево на расстояния (1 → 2; 3 → 4; 5 → 6; 7 → 8; 9 → 10; 11 → 12; 13 → 14; 15 → 16; 17 → 18), значительно меньшие межатомных. Атомы смещаются не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости. Дислокации могут переходить с одной плоскости скольжения на другую. Этот переход (переползание, восхождение) осуществляется добавлением или удалением слоя атомов путем диффузии.

Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (рис. 50, б-г), при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька. Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Возможность образования дислокаций в процессе деформации была показана в 1950 г. одновременно двумя учеными — Франком и Ридом, но предсказал ее еще в 1940 г. Я. М. Френкель.

Механизм образования дислокации, по Франку и Риду, заключается в том, что закрепленная в точках А и А1 дислокация может под действием касательных напряжений испытывать перемещения, показанные на рис. 51. Линия дислокации, разрастаясь, превращается в дислокационное кольцо. В то же время обе концевые части спиралей, сливаясь, дают дислокацию А — А1 в исходном состоянии. Далее под действием напряжений процесс начинается

71

снова, дислокация как бы возвращается в начальное положение и т.

д.

Если продолжает действовать напряжение σ, то из одного источника могут образоваться сотни дислокаций и прекратиться действие источника может лишь в том случае, когда на пути развивающейся петли дислокаций встретится препятствие — новые системы дислокаций, частицы избыточных фаз, границы зерна и т. д.

На начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществляется движением дислокаций по одной системе плоскостей

— стадия легкого скольжения (рис. 52). Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значительного роста действующих напряжений (стадия I деформационного упрочнения). После этого начинается стадия множественного скольжения — движение дислокации в двух и более системах. На этой стадии после значительной деформации дислокационная структура металла сильно усложняется и плотность дислокаций («лес» дислокаций) возрастает по сравнению с исходным состоянием на четыре — шесть порядков, достигая 1011 — 1012 см-2. Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление их движению сильно возрастает (см. рис. 52) и для их продвижения внешнее напряжение должно резко возрасти (стадия II 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 дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячеек. Наступает III стадия деформации, когда происходит так называемый динами-

72

чеcкий возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения (см. рис. 52).

Дислокации, движущиеся в деформированном металле, порождают большое число дислоцированных атомов и вакансий.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, кроме скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентации части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоcкоcтью двойникования (см. рис. 49, д). Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. По сравнению со скольжением двойникование имеет меньшее значение. В металлах с ГЦК и ОЦК-решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформирования и низких температурах.

Пластическая деформация поликристаллов. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации 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 в нем системы скольжения ориентированы по-иному.

Достигнув зерна, дислокации останавливаются. Однако напряжения от скопления дислокации у границы зерна могут упруго распространяться через границу и привести в действие источники Франка — Рида в соседнем зерне. В этом случае имеет место «эстафетная» передача деформации от одного зерна к другому. Границы зерна тормозят движение дислокаций. Поэтому в поликристаллическом металле стадия I практически отсутствует, а во II стадии деформационного упрочнения — коэффициент упрочнения выше (см. рис. 52).

Первоначально под микроскопом на предварительно полированных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, которые одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен.

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму (рис. 53, a), после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 53, б). Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит формирование субзерен и увеличение угла разориенти-ровки между ними.

73

Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентация кристаллитов относительно внешних деформационных сил получила название текcтуры (текстура деформации).

Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентацию (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т. д.)1. Кристаллографическую текстуру не следует отождествлять с волокнистой структурой, волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств.

Деформационное упрочнение поликристаллического метапла. С увеличением степени холодной (ниже (0,15—0,2) Тпл) деформа-

1 Для металлов с ГЦК решеткой при волочении направление текстуры [111 ] и [100]>а с ОЦК решеткой— [110]. При прокатке направление текстуры для ГЦК метамов [110] в плоскости [112] и для ОЦК металлов [001] в плоскости [110].

74

ции1 свойства, характеризующие сопротивление деформации (σΒ,

σ0,2, HV и др.) повышаются, а способность к пластической

деформации (пластичность δ) уменьшается (рис. 54). Это явление получило название

наклепа.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности

дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. В результате холодной деформации уменьшаются плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (например, железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

3. СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Под сверхпластичностью понимают способность металла к значительной пластической деформации (δ=102÷103 %) в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию (100 — 101 МПа). Существуют следующие разновидности сверхпластичности.

1.Структурная, которая проявляется при температурах > 0,5 Тпл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации2 (10-5 — 10-1 с-1).

2.Субкритическая (сверхпластичность превращения), наблюдающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, поли морфных.

1 Степень деформации , где F0 и FK— площадь сечения до F0 и после деформации соответственно; Тпл — температура плавления, К.

2 Скорость деформации ε определяется из соотношения ε = f /τ, где f — степень деформации (безразмерная величина) и τ — время.

75

Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности.

Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в определенных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением.

Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности.

Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации.

При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается.

Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чувствительностью напряжения течения σ к изменению скорости деформации ε: σ = kεm, где k — коэффициент, зависящий от структуры

иусловий испытания; т — показатель скоростной чувствительности напряжения течения.

Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел m = 1

иудлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации m < 0,2, а в условиях сверхпластической деформации m > 0,3 (обычно 0,4—0,7).

Когда при сверхпластической деформации начинается образование шейки, в этом участке образца возрастает ε и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению σ, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяжении образца.

Структурная сверхпластическая деформация протекает главным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в определенной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение.

Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала — это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации.

Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз 1 : 1; в этом случае имеет место максимальное развитие межфазовой поверхности, что обеспечивает взаимное торможение роста зерен фаз; 2) использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен. В настоящее время для обработки в состоянии сверхпластичности чаще используют цинкоалюминие-

76

вый сплав ЦА22 (22 % ΑΙ), титановые α + β-cnлавы, двухфазные α + γ'-сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав, состоящий из α-раствора и дисперсных частиц Al3Zr, и некоторые другие. Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.

4. РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Под разрушением понимают процесс зароокдения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит в результате или развития нескольких трещин, или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой происходит полное разрушение.

Разрушение может быть хрупким (в металлах — квазихрупким) и (или) вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед всевозможными включениями и т. д.).

В месте скопления дислокации они могут прийти в столь тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая трещина (рис. 55). Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости

скольжения, когда плотность дислокаций достигает1012 — 1013 см-2,

а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G. При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее

длина (при заданном напряжении) превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую (по радиусу у вершины) с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи. При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание кото-

рой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика. Для стали скорость роста трещины достигает 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным», или «катастрофическим», разрушением.

Вязкое и хрупкое разрушения можно связать с энергоемкостью процесса разрушения при том или ином виде испытания. Вязкому разрушению соответствуют обычно высокие значения поглощенной энергии, т. е. большая работа распространения трещины. Энерго-

78

емкость хрупкого разрушения мала и соответственно работа распространения трещины также мала.

С точки зрения микроструктуры существуют два вида разрушения — транскристаллитное и интеркристаллитное. При транс-кристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким. Надо отметить, что межзеренное разрушение присутствует всегда, но больше проявляется при хрупком разрушении.

По внешнему виду излома различают: 1) хрупкий (светлый) излом (рис. 56, а, 1), поверхность разрушения которого характеризуется наличием блестящих плоских участков; такой излом свойствен хрупкому разрушению; 2) вязкий (матовый) излом (рис. 56, а, 4), поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы — волокна, образующиеся при пластической деформации зерен в процессе разрушения; этот излом свидетельствует о вязком разрушении. Смешанный характер разрушения показан на рис. 56, а, 2, 3.

Изучение тонкой структуры излома с помощью электронного микроскопа (микрофрактография) позволяет более уверенно судить о вязком или хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется ямочным («чашечным») изломом (рис. 56, б, первый слева); ямка — микроуглубление на поверхности излома, возникающее в результате образования, роста и слияния микропустот. Глубина ямки определяется способностью металла к локальной пластической деформации.

Излом при хрупком разрушении имеет ручьистый узор (см. рис. 56, б), представляющий собой систему сходящихся ступенек скола1, образующихся в результате деформации разрушения перемычек между хрупкими трещинами, распространяющимися путем скола по параллельным, близко расположенным кристаллографическим плоскостям. В отличие от вязкого разрушения хрупкое разрушение распространяется внутри отдельных зерен вдоль плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, называемой плоскостью скола.

Вязкий чашечный и хрупкий ручьистый изломы относятся к транскристаллическому разрушению.

При исследовании на электронном микроскопе хрупкое разрушение, идущее по границам зерен, выявляется в виде гладких поверхностей, так называемых фасеток зернограничного скола часто с некоторым количеством выделившихся частиц (см.

рис. 56).

1 Элемент микрорельефа излома, образующийся при соединении двух поверхностей разрушения, расположенных на равных уровнях.

79

Межзеренное разрушение облегчается при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы.

Одни и те же (по составу) сплавы в зависимости от предшествующей обработки и метода испытания могут быть и вязкими и хрупкими.

Многие металлы (Fe, Mo, W, Zn и др.), имеющие ОЦК и ГПУ кристаллические решетки, в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обусловливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости.

Явление хладноломкости можно объяснить схемой А. Ф. Иоффе (рис. 57). Понижение температуры практически не изменяет сопротивления отрыву (разрушающего напряжения), но повышает сопротивление пластической деформации σт (предел текучести). Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко. В указанных условиях сопротивление отрыву достигается при напряжениях, меньших, чем предел текучести. Точка пересечения кривых σт и Sотр, соответствующая температуре перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, получила название критической температуры хрупкости, или порога хладноломкости (tп.х). Чем выше скорость деформации, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению. С увеличением остроты и глубины надреза склонность к хрупкому разрушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем больше вероятность хрупкого разрушения (масштабный фактор).

Вопросы для самопроверки

1.Чем отличаются истинные напряжения от условных?

2.Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?

3.Что происходит в металле при упругой деформации?

4.Как протекает пластическая деформация? Какие стадии можно отметить в процессе деформации монокристалла?

5.Чем отличается деформация поликристалла от деформации монокристалла?

6.Что такое текстура деформации и как она влияет на свойства металла?

7.Чем объяснить упрочнение металла (наклеп) в процессе деформации?

8.Что предопределяет сверхпластичность металлов и сплавов?

9.Каковы признаки вязкого и хрупкого разрушений?

10.Объясните механизм образования и рост трещины.

11.Каковы особенности структуры вязкого и хрупкого изломов?

12.При каких условиях чаще наблюдается хрупкое разрушение?