книги / Структура и прочность конструкционных материалов
..pdfчение 10 с при 1000°С оказалось достаточным, чтобы успела завершиться собирательная рекристаллизация, вы звавшая значительное укрупнение структуры исследованно го образца. Дополнительная энергия, сообщаемая образцу за счет воздействия знакопеременной нагрузки и выража ющаяся частично в разрыхлении его приграничных участков, расходуется на перемещение границ зерен. Деформация приграничных зон сопровождается интенсивным генерирова нием и перемещением дислокаций, а также образованием в зернах и по их границам избыточных вакансий. Послед ние, в свою очередь, облегчают протекание диффузионных процессов при перемещении границы.
На рис. 2.57,а,б представлены микрофотографии, ил люстрирующие развитие собирательной рекристаллизации, происходящей в кремнистом железе под действием цикли ческой нагрузки и высокотемпературного нагрева в ваку уме. Снимки выполнены с поверхности образца, подверг нутого всего лишь 500 циклам знакопеременной нагрузки при 1000°С. Как видно на микрофотографиях, показанных на рис. 2.57, границы зерен перемещаются "скачкообраз но". В начальный момент, когда строение материала обг разца при данных условиях нагружения является энерге тически структурно нестабильным и граница обладает повышенным запасом свободной энергии, она передвига ется путем осуществления очень малых скачков, состав ляющих около З'мкм. По мере уменьшения запаса энергии (при удалении границы от первоначального положения) расстояние между отдельными положениями передвигающей ся границы увеличивается.
При своем перемещении граница задерживается в от дельных положениях; во время "экспозиции" происходит накопление энергии, подводимой за счет циклического нагружения образца и его нагрева. После достижения определенного критического значения, достаточного для перемещения границы в новое положение, происходит "ска чок" в новое положение, отличающееся меньшим запасом свободной энергии. Продолжение испытания сопровождает ся накоплением энергии и последующим "перескоком" гра ницы.
На микрофотографиях, приведенных На рис. 2.57, сня тых с поверхности образца кремнистого железа, испытан ного на усталость при 1000°С, о = ±60 МПа и N = 500 цик лов, следует обратить внимание на характерную особен ность миграции границ, сказывающуюся в том, что их взаимное перемещение сопровождается образованием новой общей границы. Поскольку в деформированных границах об разуются дислокации, движущиеся Вдоль них под действием знакопеременной нагрузки, в месте встречи двух границ
дислокации выстраиваются в виде стенок, образуя поли гональную границу. Продолжение нагружения сопровождает ся непрерывным притоком дислокаций к образовавшейся стенке. Кроме того, по перемещающимся границам происхо дит также сток других дефектов (типа вакансий, внедрен ных атомов, примесей и др.) к полигональной границе, увеличивая при этом ее ширину. В конечном счете граница соединяет два соседних зерна, обладающих большим углом разориёнтации. Аналогичную картину можно наблюдать на рис. 2.57,а при перемещении границ других зерен. В тех случаях, когда зоны встречи границ в одном зерне лежат на одной прямой с участками встречи в другом, гра ница имеет, как правило, вид прямой линии. В случае несовпадения точек встречи мигрирующих границ полиго нальная стенка приобретает вид изогнутой кривой. Однако дальнейшее развитие границы происходит таким образом, что вследствие ее энергетической неустойчивости она вы прямляется путем согласованного перемещения всей стенки дислокаций. В результате на отдельных участках границы зерна не совпадают с местами встречи перемещающихся границ. Такой характер рельефа можно отчетливо наблю дать на рис. 2.57,а.
Часть дислокаций, которая под действием циклической нагрузки и нагрева не смогла или не успела переместиться к границе, образуе'. новые полигональные границы (разви тие "вторичной полигонизации") и благоприятствует воз никновению субструктуры в данном зерне. Примеры таких субграниц показаны на рис. 2.57,6.
При этом следует обратить внимание на то, что зона расположения старой, ранее существовавшей границы не является, по-видимому, серьезным препятствием для пе рехода через нее субграницы.
На рис. 2.58,а,б помещены микрофотографии поверх ности образца технического железа, прошедшего испытание при 1000°С. На снимке (рис. 2.58,а) достаточно четко видно, как оставшиеся дислокации, выстроившиеся в поли гональные стенки, способствуют возникновению Y-образных зон сопряжения, которые в результате коалесценции при водят к появлению общей субграницы. Происходящую "до стройку" оставшихся дислокаций в стенки, в отличие от образования границ с большим углом разсриентировки между соседними зернами (названного нами "первичной полигонизацией"), мы именуем- "вторичной полигонизацией".
Вследствие протекания процессов первичной и вторич ной полигонизации структура на поверхности образца со держит два типа границ (рис. 2.58,б): широких, пред-
При упругопластическом деформировании поликристаллических материалов вследствие структурной неоднород ности, обусловленной различной ориентацией отдельных зерен и технологической обработкой, возникает неодно родность деформации поликристалла [32,33]. Практически независимо от вида нагружения для одного и того же ма териала характер неоднородности при статическом и дли тельном статическом нагружениях сохраняется. [32,33]. Внутризеренная неоднородность порождает неравномерность макродеформации на отдельных малых участках растягивае мого образца (рис. 2.59).
Как видно из рис. 2.59,а, при упругопластическом деформировании в отдельных зонах рабочей базы при сред ней деформации на базе 2,02% наблюдаются деформации от 1,2 до 3,2%. С увеличением общей деформации местные продолжали расти и при средней деформации 4,23% достига ли величины 6%, а при 7,38% - от 5 до 9,5%. Причем уве личение средней деформации сопровождается ростом мест ной, как правило, в одних и тех же участках. После сня тия нагрузки на отдельных участках исходного деформиро вания последующее нагружение в ту же сторону (растяже ние) сопровождается преимущественным деформированием тех же зон (пунктирные кривые на рис. 2.59,а получены при предположении, что исходным является нагружение после разгрузки) . Однако интенсивность развития дефор маций в этих зонах не одинакова и при этом происходит некоторое выравнивание общих деформаций по всей базе. После разгрузок в процессе дальнейшего нагружения, в том числе и при смене знака нагрузки, средняя деформа ция по базе поддерживается сравнительно равномерной.
При смене знака нагрузки максимальные местные цикличе ские деформации сжатия наблюдаются в тех же участках, где они были наибольшими при растяжении. С увеличением количества циклов нагружения происходит некоторое пере распределение деформаций в отдельных участках базы образца. Однако зоны с повышенным уровнем деформации, определяемые на базах 0,5 мм, остаются.
Аналогичным образом развиваются и односторонне на капливаются деформации: с увеличением количества циклов нагружения продолжают сохраняться участки с повьшенным уровнем деформации, накопленной в сторону растяжения (рис. 2.59,б).
Неоднородность циклической пластической и односто ронне накопленной деформаций в цикле может быть охарак теризована коэффициентами макронеоднородности цикличе-
На рис. 2.60,а,б и 2.61,а,б представлены вероят ностные кривые распределения местных циклических дефор маций 6^ и односторонне накопленных деформаций е^, а также их кривые функции плотности вероятности распреде ления .
Указанные кривые даны как для статической (нулевой полуцикл, который был проведен за три этапа по средним деформациям 2,08; 4,303 и 7,52%, после каждой из кото рых производились разгрузка, а затем измерение местных и общей средней деформаций), так и циклических дефор маций после следующих полуциклов нагружения:
п = 0; 1; 19; 20; 98 и 99 [32,33].
Проведенная статистическая обработка показала, что неравномерность пластической деформации на рабочей ба зе образца может быть оценена через параметры вероят-_
ских| пластических деформаций при малоцикловом нагружении
ностных кривых нормального распределения (рис. 2.60,б
и2.61,6), определяемых уравнением вида:
х= Ü а + а,
где х есть либо местная циклическая деформация 6^, либо местная односторонне накопленная деформация е^, соответствующая заданному квантилю нормального распре деления ü ; о и а - соответственно стандартное откло нение и математическое ожидание.
Рис. 2,61. Статистическое распределение местных одностороннее накопленных дефор маций малоциклового нагружения