Главная


Основы металлографии и пластической деформации стали




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 21 ... 63 ... 105 ... 147 ... 189 ... 231 ... 239
84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125


скачать книгу Основы металлографии и пластической деформации стали




рождают точечные дефекты, обес­печивающие переползание. Внутри ячеек находятся области с относи­тельно низкой плотностью дислока­ций. В процессе развития // стадии упрочнения плотность дислокаций увеличивается постепенно, и чем их больше, тем выше степень разориен-тировки ячеек. Угол разориентировки ячеек составляет (2—3)°, а при больших деформациях может доходить до (5—10)°. Таким образом, причина упрочнения металла на этой стадии заключается в резком увеличении плотности дислокаций и появлении ячеистой структуры, стенки которой являются препятствием на пути движения дислокаций. Увеличение плотности дислокаций не подчиняется линейному закону, а коэффициент упрочнения вц в десять раз больше коэффициента упрочнения на / стадии и равен примерно 2 • 10~3С7.
...
Величина деформирующих напряжений на // стадии определяется сопротивлением, которое испытывают движущиеся дислокации при пе­ресечении субграниц:
...
Характер ячеистой структуры на III стадии не изменяется, проис­ходит увеличение ширины стенок за счет повышения в них плотности дислокаций (рис. 2.18, в). Кривая 1 на рис. 2.16 становится положе, значит интенсивность упрочнения металла уменьшается (стадия парабо­лического упрочнения). Снижение интенсивности упрочнения, обуслов­ленное перераспределением дислокаций под влиянием высоких напря­жений, называется «смягчением при наклепе».
...
Рис. 2.18. Формирование ячеистой суб­структуры железного сплава на различ­ных стадиях упрочнения
...
легкого скольжения ориентировке кристалла. Если кристалл с ГЦК решеткой ориентирован произвольно, в нем сразу начинается мно­жественное скольжение дислокаций и наступает быстрое упрочнение, описываемое кривой 2 на рис. 2.16. При деформации кристалла с ОЦК решеткой также отсутствует стадия легкого скольжения, потому что в нем много систем скольжения и легко развивается поперечное сколь­жение дислокаций.
...
Упрочнение кристаллов с ОЦК решеткой и ориентированных для множественного скольжения кристаллов с ГЦК решеткой наступает быстро в результате формирования ячеистой структуры (фрагмента­ции кристаллов). Это так называемое субструктурное
...
Характер тормозящего воздействия субграниц на движение дис­локаций определяется критической величиной угла разориентировки соседних субзерен. Если значение этого угла больше критического, зависящего от типа металла и равного для железа 20', субграницы ока­зывают сопротивление движению дислокаций подобно границам зерен. Если же угол разориентировки субзерен меньше критической величи­ны, субграницы препятствуют движению дислокаций по типу дислока­ций «леса».
...
Металл упрочняется и в результате движения дисклинации, вы­зывающих пластические повороты отдельных частей кристалла. При встрече дисклинации друг с другом и с различными препятствиями происходит их торможение, возникают дисклинационные скопления, приводящие к фрагментации кристалла.
...
В процессе циклического нагружения металла ячеистая структура с ростом числа циклов преобразуется в полосовую ячеистую структуру, в которой стенки ячеек параллельны. Плотность дислокаций в стенках ячеек достигает 1018 см-2, что значительно выше, чем в обычной ячеис­той структуре (1011—12 см-2).
...
Деформация кристалла двойникованием начинается с развития двойников в системе, которая благоприятно ориентирована к внешне­му напряжению. При этом в кристалле возникают параллельные двой­ники. Затем активизируются менее благоприятно ориентированные плоскости двойникования, в результате происходит пересечение двой­ников, тормозится их движение и ограничивается развитие. В кристал­ле образуются фрагменты (ячейки), ограниченные каркасом из двой­ников.
...
Развитие упрочнения в поликристаллах следует рассматривать с точки зрения того, что поликристаллический металл состоит из мно­жества зерен-кристаллов, в каждом из которых деформация развива­ется неодинаково вследствие их различной ориентировки по отношению к действующим напряжениям. Границы зерен служат тормозом на пути движения дислокаций, что обусловливает прерывистый характер процесса скольжения. Скопление дислокаций у границ зерен вызывает
...
концентрацию напряжений Гсм. выражение (2.15)], что может активи­зировать источник дислокаций в соседнем зерне. Границы двойников не всегда являются барьерами на пути движения дислокаций: при не­благоприятной ориентировке они тормозят их движение, границы двой­ников с ориентировкой {111} в металле с ГЦК решеткой не препятству­ет движению дислокаций с векторами Бюргерса, параллельными этой границе.
...
Естественно предположить, что возрастание приложенного напря­жения способствует началу скольжения в зернах с благоприятно ори­ентированными системами скольжения, где":приведенные касательные напряжения максимальны. Однако границы этих зерен блокируют скольжение, что вызывает концентрацию напряжений около границ и приводит в действие менее благоприятно ориентированные системы. Скольжение переходит в соседние зерна (эстафетная передача скольже­ния), а в зернах, претерпевших легкое скольжение, начинается мно­жественное скольжение. В результате в некоторых зернах происходит скольжение дислокаций по пересекающимся системам, что приводит к быстрому упрочнению; в менее благоприятно ориентированных зер­нах идет легкое скольжение в одной системе; в отдельных зернах скольжение не развивается. В каждом зерне возникает ячеистая струк­тура. У границ, проявляющих барьерный эффект, возрастает вероят­ность множественного скольжения. Торможение пластических сдви­гов границей зерен и образование дислокационных скоплений способ­ствуют появлению аккомодационного скольжения, которое должно обеспечить совместность деформации зерен.
...
При образовании в зернах ячеистой структуры они разворачиваются на довольно большие углы, достигающие иногда 60°, что вызывает воз­никновение дополнительных напряжений вблизи границ. В результате в стыках зерен появляются дисклинации, которые непрерывной сеткой охватывают весь поликристалл. Поля упругих напряжений, связан­ные с дисклинациями, релаксируют за счет дополнительных акко­
...
На кривой упрочнения поликристаллического металла стадии упрочнения не так сильно выражены, как на кривой упрочнения моно­кристалла, особенно / стадия легкого скольжения. Объясняется эта ограничением легкого скольжения границами зерен и быстрым развити­ем множественного скольжения.
...
Размер зерен металла существенно влияет на степень наклепа. Согласно соотношению Холла — Петча предел текучести металла так­же зависит от размера зерен:
...
ликристаллических металлов с ОЦК решеткой с учетом поправок на модуль сдвига и температуру плав­ления лежат ниже, чем кривые для металлов с ГЦК решеткой, при­чем степень упрочнения первых также существенно меньше. Влияние размера зерен на степень упрочнения металла с ОЦК решеткой и предел текучести аналогично воздействию на соответствующие харак­теристики у металлов с ГЦК решеткой.
...
Температура деформации металла влияет на вид кривой напря­жение — деформация во всех рассмотренных- случаях. Чем выше тем­пература, тем меньше напряжение текучести и раньше наступает ста­дия легкого скольжения. Указанная температура практически не влияет на коэффициент упрочнения металла на // стадии упрочнения, но с повышением температуры /// стадия упрочнения начинается раньше и при более низком напряжении. И наконец, с повышением температуры уменьшается скорость упрочнения металла на /// стадии.
...
Высокочистые металлы при одинаковой плотности дислокаций имеют меньшую прочность, чем технически чистые. Примеси являются эффективными стопорами движения дислокаций. Располагаясь в плос­костях скольжения на пути движущихся дислокаций, они тормозят их скольжение, находясь же вокруг дислокаций,— способствуют по­вышению напряжения их старта.
...
Традиционное трактование причин появления зуба текучести у металлов, содержащих примеси, основано на взаимодействии их с дис­локациями. В гл. 3 разд. 1 показано, что атомы примеси, перемещаясь в результате диффузии в кристаллической решетке, взаимодействуют с полями напряжения краевых и винтовых дислокаций и располагают­ся в районе искажения решетки дислокациями. Это приводит к сни­жению внутренней энергии системы вследствие уменьшения искаже­ний решетки матрицы вокруг растворенных атомов и дислокации. Концентрация атомов примеси в районе дислокации (в атмосфере Коттрелла) определяется выражением (1.5).
...
Атмосферы Коттрелла блокируют дислокации, иными словами,, затрудняют их движение в плоскостях скольжения. Эффективность торможения движения дислокации зависит от размера атмосферы, плотности атомов примеси в ней и температуры.
...
Зуб текучести на криво.й напряжение — деформация будет иметь место тогда, когда для начала пластического течения дислокаций их необходимо вырвать из атмосфер примесных атомов, т.
...
Если после достижения предела текучести образец разгрузить,, а затем вслед за этим нагрузить снова, то на кривой не будет зуба текучести. С другой стороны, если после разгружения образец выдер­жать достаточно долгое время при температуре 20 °С или более ко­роткое время при повышенной температуре (для железа 100... 150 °С), то в процессе последующего нагружения зуб
...
ного или поперечного скольжения, оставляют около них дислока­ционные петли. Накопление последних у неметаллических включе­ний приводит к упрочнению металлов и сплавов. Предел текучести металла в этом случае повышается [см. выражение (1.6)]. Такое упроч­нение называют дисперсионным.
...
При деформации зерна поликристаллического металла подвергают­ся такому же формоизменению, как и весь образец в целом. Они стре­мятся принять определенную ориентировку относительно внешних деформирующих усилий. Ориентировка изменяется постепенно по мере роста степени деформации. В результате в сильно деформирован­ных металлах возникает отчетливая структурная текстура деформа­ции или преимущественная ориентировка зерен.
...
Под кристаллографической текстурой понимают наличие преиму­щественных кристаллографических ориентировок кристаллических решеток отдельных частей зерен в поликристаллическом металле. Тек­стуры образуются вследствие ориентированного воздействия на металл внешних напряжений, а также развития деформации вдоль оп­ределенных кристаллографических плоскостей и направлений. Сла­бое проявление текстуры наблюдается уже при деформациях, состав­ляющих 5—10 %, максимальная четкость текстур достигается при значительных деформациях (70—90 %).
...
Приведем несколько примеров кристаллографических текстур. При деформации волочением возникает так называемая аксиальная
...
в направлении их равнодействующей, поэтому оба направления долж­ны быть симметричны относительно оси волочения. Последнее воз­можно, если вдоль оси волочения расположится одно из двух направ­лений (100) или (ПО). В металле с ГЦК решеткой, имеющем систему скольжения {111} <110>, три направления скольжения типа < 110> симметричны отосительно направления (111), которое будет равно­действующим и установится вдоль оси волочения.
...
Более сложный характер имеет текстура после прокатки, посколь­ку фиксируется не только направление [uvw],
...
Состояние упрочненного или наклепанного деформацией металла термодинамически неустойчиво при всех температурах. Переход ме­талла в более стабильное состояние с меньшей свободной энергией является термически активированным процессом. Дефекты решетки, внесенные деформацией, при нагреве металла устраняются в резуль­тате элементарных процессов, совершающихся в разных температур­ных интервалах с неодинаковыми скоростью и энергией активации. К этим процессам следует отнести: диффузию точечных дефектов, их аннигиляцию и сток в дислокации и границы зерен; перераспреде­ление и аннигиляцию дислокаций путем простого и поперечного сколь­жения и переползания; формирование малоугловых границ; переме­щение (миграцию) субзеренных малоугловых и межзеренных высоко­угловых границ с поглощением дефектов; рост зерен путем миграции границ для снижения зернограничной поверхностной энергии. В за­висимости от температуры, скорости и продолжительности нагрева, а также условий и степени предварительной деформации эти про­цессы совершаются последовательно или накладываются один на другой.
...
Различают следующие процессы разупрочнения наклепанных ме­таллов и сплавов при нагреве: возврат и рекристаллизацию. Если они совершаются после деформации (холодной или горячей) при осу­ществлении специального нагрева, то называются статическими, если же протекают непосредственно в процессе деформации (горячей) — ди намическими.
...
Возвратом называют совокупность процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристаллах до начала рекристаллизации. Он включает две стадии: уменьшения концентра­ции точечных дефектов и перераспределения дислокаций без возник­новения новых границ — отдых и перераспределения дислокаций с образованием малоугловых границ — полигонизацию.
...
Основные структурные изменения в деформированном металле на стадии отдыха заключаются в уменьшении количества точечных де­фектов — вакансий и межузельных атомов в результате их взаимного уничтожения при встрече (аннигиляции) и стока к дислокациям, гра­ницам зерен и внешней поверхности. Механизмы миграции точечных дефектов и взаимодействия их с другими дефектами подробно рас­смотрены в гл. 3 разд. I. Примесные атомы затрудняют диффузию вакансий, что замедляет отдых. Нагрев металла активизирует пере­ползание дислокаций. При встрече дислокаций разных знаков они аннигилируют и плотность их в металле несколько уменьшается. Некоторые дислокации продвигаются на небольшие расстояния и из­гибаются. На стадии отдыха новые субграницы или границы не об­разуются. Этот процесс не имеет инкубационного периода, т. е. пере­стройка дефектов решетки начинается сразу же во время нагрева металла.
...
Изменение количества дефектов на стадии отдыха подтверждается выделением энергии в виде тепла, увеличением плотности металла,
...
§ 2. Разупрочнение деформированных металлов и сплавов при нагреве
...
На стадии полигонизации происходят пе­регруппировка и частичная аннигиляция дис­локаций разного знака. Дислокации одного знака в результате упругого взаимодействия
...
образуют границы наклона — вертикальные стенки, перпендикулярные к плоскости сколь­жения (рис. 2.20). Такие границы малоподви­
...
Рис. 2.20. Схема распре­деления дислокаций в кри­сталле после деформации (о) и полигонизации (б)
...
жны, поскольку имеют небольшую кривизну. Области кристалла между малоугловыми гра­ницами, почти свободные от дислокаций, называются блоками,
...
Перераспределение дислокаций при полигонизации происходит в результате простого и поперечного скольжения и переползания, по­этому скорость полигонизации зависит от скорости их протекания, особенно самого медленного процесса — переползания дислокаций. Чем выше температура нагрева металла, тем быстрее протекают тер­мически активируемые процессы поперечного скольжения и перепол­зания дислокаций. При полигонизации на стадии формирования ма­лоугловых границ (рис. 2.21, а) происходит миграция, или движение.
...
Рис. 2.20. Схема распре­деления дислокаций в кри­сталле после деформации (о) и полигонизации
...
дислокационных групп, а на стадии роста субзерен — выгибание и миграция малоугловых дислокационных границ (рис. 2.21, б). В ходе развития полигонизации возможно «рассыпание» мало- и среднеугло-вых границ путем ухода из них дислокаций (рис. 2.21, в) в резуль­тате чего субзерна сливаются.
...
Описанный механизм полигонизации наблюдается при нагреве слабо деформированных металлов, в которых нет ячеистой структуры. Главная его особенность состоит в преимущественном образовании малоподвижных устойчивых субграниц с малыми углами разориенти-ровки. Такая полигонизация стабилизирует структуру, поэтому ее называют стабилизирующей.
...
В сильно деформированных металлах в ходе деформации образуется ячеистая субструктура. Плотность дислокаций внутри каждой ячейки сравнительно низкая, тогда как плотность дислокаций на границах, разделяющих ячейки, велика. При нагреве границы ячеек становятся уже, затем ячейки начинают расти и плотность дислокаций на субгра­ницах снижается. Итак, в сильно деформированных металлах проис­ходит полигонизация, в результате которой стенки ячеек .становятся более тонкими и четкими, а размер ячеек увеличивается (рис. 2.21, г). Плотность дислокаций в стенках ячеек уменьшается за счет взаимо­действия и аннигиляции дислокаций путем простого и поперечного скольжения и переползания.
...
При рассматриваемом механизме полигонизации ячейки деформи­рованной структуры превращаются в субзерна большой разориенти-ровки с подвижными субграницами большой кривизны, способными ■к миграции. Образовавшиеся подвижные субграницы легко мигри­руют под влиянием поверхностного натяжения и в результате раз­ности объемной энергии смежных субзерен (полигонов). В процессе миграции субграницы присоединяют к себе новые дислокации, встре­чающиеся на их пути, что приводит к увеличению угла разориенти-ровки между субзернами. В этом случае полигонизацию, которая под­готавливает структуру к дальнейшему развитию разупрочнения (рекри­сталлизации), называют предрекристаллизационной.
...
Если в процессе миграции субграниц субзерна вырастают до раз­меров в несколько микрометров без заметного изменения угла раз-ориентировки, проходит так называемая рекристаллизация
...
Полигонизация проходит тем интенсивнее, чем выше температура. Скорость полигонизации сильно замедляют примеси, образующие на дислокациях «облака» Коттрелла.
...
На стадии полигонизации происходят дальнейшее увеличение плот­ности металла, - уменьшение его твердости и электросопротивления, как и на стадии отдыха. Кроме того, наблюдается некоторое восста­новление механических свойств металла, например понижение пре­дела текучести. Однако до начала рекристаллизации плотность дисло­каций в металле еще достаточно высока и поэтому механические свой­ства изменяются незначительно.
...
Рекристаллизацией называется процесс замены одних зерен дру­гими, обладающими более высо ким структурным совершенством и меньшей энергией. Движущей силой рекристаллизации является выигрыш в объемной энергии, до­стигаемый при уменьшении плот­ности линейных и точечных де­фектов, а также зернограничной энергии, получаемый в результате стабилизации границ, совершен­ствования их структуры и снижения суммарной протяженности границ.
...
Во время первичной рекристаллизации в металле формируются и растут новые зерна, содержащие значительно меньше дефектов кри­сталлической решетки, чем деформированные зерна. Новые зерна от­делены от деформированной матрицы большеугловыми границами. Первичная рекристаллизация происходит при нагреве металла, пре­терпевшего кристаллическую деформацию. Для металлов последняя составляет несколько процентов. Плотность дислокаций, возникаю­щих в металле при докритической степени деформации, мала и в про­цессе последующего нагрева дислокации, слабо связанные в ячеистые сетки, легко перераспределяются с образованием малоугловых гра­ниц и частично аннигилируют.
...
Определяющими условиями рекристаллизации являются высокая плотность дислокаций, избыток дислокаций одного знака и неодно­родный характер деформации, приводящий к локальным скоплениям дефектов.
...
при нагреве формируются в первую очередь в зонах локализации де­формации (рис. 2.22): в местах пересечения полос скольжения, у гра­ниц зерен (рис. 2.22, а), в двойниках (рис. 2.22, б), у неметаллических включений (рис. 2.22, в). Новые зерна появляются после определен-
...
Рис. 2.22. Зародыши рекристаллизвгии в деформированном металле (Х600, И. Е. Казимирова)
...
ного инкубационного периода т0, который тем меньше, чем выше тем­пература нагрева и больше степень предварительной деформации. Во время инкубационного периода в местах локализации напряжений происходит перераспределение дислокаций путем поперечного сколь­жения и переползания, приводящее к образованию малоугловых гра­ниц (полигонизации) и их миграции. Последняя способствует росту субзерен, в результате чего увеличивается степень их разориентиров-ки. При движении малоугловые границы поглощают встречающиеся на их пути дислокации и преобразуются в большеугловые подвижные границы, окружающие малые области — зародыши рекристаллизации.
...
Второй способ формирования зародышей рекристаллизации состоит в том, что рост субзерен происходит путем исчезновения границ между ними (рассыпания субграниц), т. е. путем слияния субзерен. Это приводит к переориентировке последних и образованию вокруг них болынеугловых границ (рис. 2.23). Как правило, склонность к рассыпанию проявляют субграницы с малой плотностью дислокаций. Группу коалесцирующих ячеек окаймляет стабильная субграни­ца, которая впоследствии превратится в большеугловую границу (рис. 2.23, а). Рассыпание субграниц чаще всего начинается в участ­ках, прилегающих к окаймляющей субгранице (рис. 2.23, б). Погло­щение дислокаций окаймляющей границей приводит к ее движению,
...
Полигонизация не всегда служит на­чальной стадией рекристаллизации. Из рис. 2.24 видно, что при нагреве метал­ла после слабой деформации полигони­зация успевает совершиться до рекри­сталлизации, а в случае большой дефор­мации полигонизация практически не реализуется.
...
В сильно деформированном металле, имеющем развитую ячеистую структуру, зародыши рекристаллизации при нагре-Рис. 2.24. Зависимость скорости
...
Рис. 2.23. Схема коалесценции субзерен с образованием зародыша рекристал­лизации (С. С. Горелик)
...
зерен в результате миграции субграниц, ина­че, происходит предрекристаллизационная по­лигонизация. В процессе движения субграни­цы изгибаются, присоединяют к себе новые дислокации и превращаются из малоугловых в большеугловые границы.
...
Когда субзерно отделено от деформирован­ной области металла большеугловыми грани­цами, оно становится зародышем рекристал­лизации. Минимальный размер зародышей
...
(критический) составляет величину порядка нескольких микрометров. Разориентировка окружающей их границы относительно де­формированной области должна быть не менее
...
(15—20)°. Образование зародышей рекристал­лизации — термодинамически выгодный процесс, ведущий к сниже­нию внутренней энергии системы.
...
Зародыши рекристаллизации растут в результате миграции боль-шеугловых границ, что также ведет к снижению внутренней энергии металла. Основным стимулом роста является различие объемных энер­гий, обусловленное разницей в плотности дефектов структуры у за­родышей и окружающей деформированной матрицы, или градиент наклепа. Границы движутся в сторону большей плотности дефектов, поглощают последние и оставляют за собой относительно совершен­ную структуру. Столкновение зерен приостанавливает их рост.
...
Первичная рекристаллизация развивается в металле постепенно, охватывая все больший объем. Увеличение доли рекристаллизованного объема Ур в зависимости от времени выдержки металла при высокой температуре (кинетика рекристаллизации) показано на рис. 2.25.
...
Рис. 2.25. Кинетика ре­кристаллизации металла при различных температу­рах
...
Рекристаллизация протекает тем быстрее, чем выше температура нагрева, так как в этом случае возрастает подвижность дефектов кри­сталлического строения, й^величение степени деформации, начиная от критической величины, приводит к повышению значений и Л^а и соответственно скорости рекристаллизации. Влияние степени дефор­мации на кинетику рекристаллизации проявляется в изменении сте­пени дефектности структуры. Повышенная плотность дефектов кри­сталлического строения способствует увеличению внутренней энергии металла, поэтому процессы перераспределения дефектов при нагреве проходят легче. К концу первичной рекристаллизации зерна тем' мельче, чем больше степень деформации и ниже температура (рис. 2.26). Влияние температуры нагрева и степени предварительной деформации на конечный средний размер зерен после первичной ре­кристаллизации описывается с помощью диаграмм рекристаллизации I рода.
...
Уменьшение размеров исходных зерен, а значит, и увеличение протяженности границ ускоряет процесс первичной рекристаллиза­ции, так как границы яапяются местами предпочтительного зарож­дения центров рекристаллизации. Повышение скорости нагрева спо­собствует увеличению скорости образования зародышей рекристал­лизации, что вызывает измельчение зерен рекристаллизованного металла.
...
Атомы растворенных в металле или сплаве примесей, располагаю­щиеся на дислокациях, уменьшают их подвижность, затрудняют пе­рераспределение и тем самым задерживают формирование центров рекристаллизации, что проявляется в увеличении времени инкуба­ционного периода т0. Примеси, находящиеся на границах, уменьшают их подвижность, а значит, и скорость роста зародышей рекристалли­зации. Увеличение в металле или сплаве количества растворенных примесей приводит к возрастанию времени протекания рекристалли­зации и расширяет температурный интервал рекристаллизации.
...
Частицы неметаллических включений, возле которых повышена плотность дислокаций, облегчают рекристаллизацию, поскольку в этом случае увеличивается скорость образования зародышей и сокра­щается инкубационный период. В то же время включения задержи­вают миграцию границ, а значит, и рост заро-
...
дышей рекристаллизации. Чем больше размер включений, тем сильнее увеличивается скорость образования зародышей и уменьшается скорость их роста.
...
Рис. 2.26. Диаграмма рекристаллизации I ро­да для железа, ото­жженного в течение 1 ч
...
ном направлении появляется текстура деформации. Во время рекри­сталлизации такого металла в нем образуется текстура рекристалли­зации, которая может быть идентична исходной, но чаще отличается от нее. Она возникает, если зародыши рекристаллизации располага­ются в строго определенных ориентациях по отношению к текстуре деформации и растут в этих направлениях.
...
После окончания первичной рекристаллизации структура металла еще не стабильна. Снижение внутренней поверхностной энергии ме­талла может происходить благодаря уменьшению протяженности границ зерен в результате рос"^ зерен путем миграции границ. Соби­рательная рекристаллизация заключается в росте одних зерен за счет других. Особенностью собирательной рекристаллизации или нор­мального роста зерен является движение границ зерен к центрам своей кривизны. Вблизи стыков зерен границы изгибаются, чтобы прибли­зить углы в стыках к 120° (рис. 2.27). Чем ближе значения углов в сты­ках зерен отличаются от 120°, тем быстрее идет миграция границ. Рост зерен замедляется и практически прекращается, когда больший-, ство углов в стыках зерен становятся равными 120°. Поясним эти утверждения.
...
Равновесным положением границ является такое, при котором век­торная сумма коэффициентов поверхностного натяжения границ трех стыкующихся зерен у,, у2, Уз равна нулю. В этом случае сечение зерен соответствует шестиугольникам (рис. 2.27, а). Если число сторон у зерна отлично от шести, контактный угол в стыке зерен окажется равным 120° только при искривлении границы. Например, 'зерно имеет четыре стороны и для образования в каждом стыке углов 120° границы должны быть выпуклыми (рис. 2.27, б). Когда число сторон у зерна больше шести, то для достижения в стыках углов 120° границы должны быть вогнутыми (рис. 2.27, в).
...
Через границу происходит постоянный обмен атомами между со­седними зернами. Обмен будет скомпенсирован, если граница не дви­жется и представляет собой плоскую поверхность. В случае искрив­ления границы обмен атомами будет не скомпенсирован, т. е. из зер­на, у которого вогнутая поверхность, уйдет меньше атомов, чем из зерна с выпуклой поверхностью, так как в первом случае атомы имеют больше соседей и лучше удерживаются на поверхности. Это приведет
...
Рис. 2.27. Влияние числа граней зерен на кривизну границ и направление роста зерен
...
к движению границы в сто­рону зерна, имеющего вы­пуклую поверхность, г. е. к центру своей кривизны (показано стрелками на рис. 2.27, б, в). Из описан­ного следует, что зерно на рис. 2.27, в будет расти за счет соседних зерен. Струк­тура металла в процессе со­бирательной рекристаллиза­ции показана на рис. 2.28.
...
эффициент диффузии при миграции; /г — постоянная Больцмана; До/ — изменение свободной энергии системы (движущая сила миграции); йа — длина одиночного скачка, равная межатомно­му расстоянию. Таким образом, подвижность границы определяется скоростью диффузионных процессов, концентрацией вакансий, сте­пенью неуравновешенности зернограничног натяжения.
...
Размер зерен к концу собирательной рекристаллизации тем боль­ше, чем выше температура нагрева и значительнее длительность выдержки при этой температуре. Атомы примесей, находящиеся на гра­ницах зерен, задерживают их миграцию и замедляют или даже тор­мозят собирательную рекристаллизацию. Большую роль в формиро­вании конечной зеренной структуры играют частицы второй фазы и неметаллических включений. При нахождении неметаллического включения вблизи границы зерен поля напряжений границы и вклю­чения взаимодействуют, что вызывает искажение поля напряжений около включения и изменение кривизны границы (рис. 2.29). Включе­ния, находящиеся на границах, изменяют свойства границ и влияют на способность границ к миграции. Расположение включений на гра­ницах энергетически выгодно, поскольку при этом уменьшается про­тяженность границ зерен, а суммарная протяженность межфазных границ включение — матрица не изменяется.
...
протяженности границ и, следовательно, к повышению внутренней по­верхностной энергии. Движущаяся граница может увлекать включе­ния за собой; скорость миграции границы при этом уменьшается. Подвижность частиц связана со строением поверхности раздела вклю­чение — матрица: некогерентные частицы подвижнее, чем сильно связанные с матрицей когерентные включения.
...
В сплавах, содержащих частицы неметаллических включений, не удается получить крупнозернистую структуру даже при длительных выдержках. Максимальный размер зерен, который может быть достиг­нут при наличии в сплаве частиц размером йъ
...
Вторичная рекристаллизация, или аномальный рост зерен, проте­кает в металле, претерпевшем первичную и собирательную рекри­сталлизацию, и заключается в росте отдельных зерен до очень боль­ших размеров, в то время как остальные зерна увеличиваются медлен­но (рис. 2.30). Одной из причин вторичной рекристаллизации является наличие благоприятной ориентировки одного зерна относительно близ­лежащих, что стимулирует миграцию границ и рост этого зерна путем поглощения соседних зерен. Например, в металлах с ГЦК решеткой наиболее подвижными оказываются границы, по которым решетки соседних зерен повернуты на (30—40)° вокруг направления [111]. Другая причина аномального роста зерен заключается в наличии
...
Рис. 2.29. Схемы взаимодействия границ зерен с неметаллическими включе­ниями (Г. Глейтер, Б. Чалмерс)
...
примесей, распределенных в метал­лах неравномерно и образующих дисперсные частицы включений. При высоких температурах дисперс­ные включения частично раство­ряются, и в местах их растворения зерна растут. Вторичная рекри­сталлизация может привести к раз-нозернистости металлов.
...
Из рис. 2.26 следует, что в ме­талле, претерпевшем критическую степень деформации, в ходе рекри­сталлизации вырастают очень круп-Рис. 2.30. Аномальный рост зерен
...
Исследованиями при длительных выдержках в некоторых сплавах обнаружена циклическая рекристаллизация. После прохождения в металле или сплаве первичной и собирательной рекристаллизации возможно измельчение зерен, сменяющееся их ростом. Циклы могут повторяться. Такая рекристаллизация называется второй, механизм ее пока не установлен.
...
Температурный интервал деформации можно разделить на два ин­тервала: температуры деформации ниже (0,3—0,5) /пл и выше тем­пературы начала рекристаллизации. Отсюда различают холодную и горячую пластическую деформацию. Особенности изменения струк­туры металлов и сплавов при холодной пластической деформации рассмотрены в § 1 гл. 3.
...
На рис. 2.31 приведены кривые напряжение — деформация метал­ла, имеющего ГЦК решетку и деформированного в интервале тем­ператур горячей деформации. Кривые характеризуются участком упрочнения, за ним следует область установившейся деформации, в ко­торой напряжение, практически не зависит от степени деформации.. Наличие горизонтальных участков свидетельствует об отсутствии де­формационного упрочнения и указывает на значительное различие механизмов горячей и холодной деформации Уровень установившего­ся напряжения уменьшается при повышении температуры благодаря
...
Повышение температуры деформации су­щественно влияет на поведение дефектов кри­сталлической решетки, вызывая миграцию то­чечных дефектов, облегчая преодоление дис­локациями препятствий путем развития попе­речного скольжения и переползания. Вследст­вие этого в процессе горячей деформации про­исходит динамическое разупрочнение, которое протекает в две стадии: динамический возврат и
...
гон и з а ц и ю, которую часто в литерату­ре без учета отдыха называют динамическим возвратом. В зависимости от температурно-скоростных условий деформации реализуются три механизма динамического возврата: образование субзерен, рост субзе­рен, поворот субзерен.
...
Рис. 2.31. Кривые высо­котемпературной деформа­ции металла с решеткой ГЦК:
...
лениям (см. табл. 2.1), приводящее к изменению структуры металла (рис. 2.32). В зернах появляются линии скольжения нескольких си­стем (рис. 2.32, а). С увеличением степени деформации в результате пересечения систем скольжения друг с другом и с границами зерен структура металла усложняется (рис. 2.32, б). Путем термически активируемого поперечного скольжения и переползания дислокации собираются в клубки, которые преобразуются в ячеистую субструк­туру, подобную возникающей в процессе холодной деформации.
...
Вследствие пересечения дислокаций образуются пороги, увели­чивается количество вакансий и соответственно возрастает скорость переползания дислокаций. Последнее дает возможность дислокациям обходить препятствия и при встрече аннигилировать. Скорость анни­гиляции дислокаций возрастает с увеличением плотности дисло­каций в стенках ячеек и становится в конце концов равной скорости генерирования дислокаций, что приводит к динамическому равнове­сию. Последнее характеризуется тем, что плотность дислокаций, раз­меры ячеек и напряжения при деформации остаются постоянными. При повышении температуры дислокации становятся более подвиж­
...
ными, что приводит к увеличению скорости их аннигиляции. В горя-чедеформированном металле обнару­живается ячеистая субструктура (рис. 2.33).
...
В зависимости от температуры де­формирования образование ячеистой структуры будет проходить по-разно­му. На рис. 2.34 приведена диаграм­ма, показывающая условия возник­новения разных типов дислокацион­
...
Рис. 2.34. Диаграмма структурного состояния деформированного метал­ла в зависимости от температуры и степени деформации (В. И. Тре-филов)
...
формации. В / области наблюдаются дислокационные клубки и слабораз­витые ячейки, во // — хаотически распределенные дислокации, в /// —
...
Рис 2.33. Ячеистая субструктура горячедеформироваиных металлов:
...
переходная структура, а в IV и V — развитая ячеистая субструк­тура. Заштрихованная зона соот­ветствует оптимальным режимам деформации. Характер дислокаци­онной структуры, возникающей при горячей деформации, определяется механизмом динамического разу­прочнения.
...
От скорости деформации зависит характер дислокационной струк­туры горячедеформированного металла, а также степень и механизм динамического разупрочнения. Для каждого металла и сплава при всех температурах существуют интервалы скоростей деформации, в которых металл разупрочняется полностью (малые скорости) или скорость упрочнения значительно больше скорости разупрочнения и последнее не успевает проходить (большие скорости деформации).
...
В ходе горячей деформации дислокационная структура стенок ячеек и разориентировка субзерен постоянно изменяются (рис. 2.35). Как и при статическом разупрочнении, динамический возврат проис­ходит путем образования субзерен и их роста. Последний осуществ-
...
Рис. 2.35. Структура горячедеформирован-иого металла (Х600)
...
ляется в результате миграции субграниц (обусловлено разной плот­ностью дефектов в соседних субзернах), а также коалесценции субзерен по механизму рассыпания субграниц (рис. 2.35, а). При рассы­пании происходит групповое движение дислокаций к стабильным субграницам, а также групповая аннигиляция дислокаций противо­положных знаков. Это приводит к тому, что часть дислокаций и об­рывки субграниц остаются внутри субзерен, т. е. структура субзерен не является совершенной. Перестройка дислокационной структуры внутри субзерен способствует их повороту относительно соседей, а это стимулирует миграцию субграниц.
...
Описанные преобразования в субструктуре приводят к возникно­вению субзерен, окруженных болынеугловыми границами, т. е. заро­дышей первичной рекристаллизации, развивающейся в результате движения границ зерен. Последнее, в свою очередь, происходит в процессе деформации и потому называется динамической
...
В случае протекания динамического возврата по механизму коа­лесценции субзерен возможно образование устойчивой (стабильной) субзеренной структуры, характеризующейся равновесной конфигу­рацией стыков субграниц. Такой жесткий каркас субграниц затруд­няет миграцию границ зерен и развитие динамической рекристалли­зации.
...
Холодная деформация развивается главным образом скольжением дислокаций внутри зерен. При горячей деформации наряду с внутри-зеренным скольжением происходят двойникование, образование по­лос сброса (рис. 2.35, е) и деформация по границам зерен — проскаль­зывание (рис. 2.35, г). Последнее вносит существенный вклад в пол­ную деформацию металла. Кроме того, деформация осуществляется проскальзыванием по границам субзерен.
...
Движущей силой проскальзывания по границам являются сколь­жение в соседних зернах и образование субзерен, которое приводит к смещению зерен относительно друг друга и сдвигу на границе. Механизм проскальзывания по границам зерен в результате движе­ния зернограничных дислокаций рассмотрен в § 1 гл. 2. Размер зерен влияет на проскальзывание по границам: чем крупнее зерна, тем боль­ше смещение по границам.
...
Проскальзывание по границам зерен вызывает отклонение от рав­новесия в стыках. Неравновесная конфигурация стыка по границам зерен (контактные углы в этом случае должны быть близки к 120°) создает избыток свободной поверхностной энергии, представляющей собой движущую силу миграции границ. Различие в плотности дисло­кационной структуры в соседних зернах заставляет границу переме­щаться в сторону более деформированного зерна. Таким образом, в ходе горячей деформации происходит миграция границ зерен, вы­зывающая собирательную рекристаллизацию (рис. 2.35, д). Подвиж­ность границ зерен тем больше, чем выше температура. Наличие на
...
Кривые напряжение — деформация, при­веденные на рис. 2.31, отражают развитие го­рячей деформации при малых скоростях на-гружения, например при ползучести. В усло­виях высоких скоростей деформации и темпе­ратур кривая напряжение — деформация вы­
...
глядит несколько иначе (рис. 2.36, кривая /). Если степень деформации меньше 10 %, на кривой / наблюдается участок горячего на­клепа, при степени деформации 10 % начи­
...
нается динамический возврат, однако он не превалирует над упрочнением, и напряжение растет. На этом участ­ке формируется ячеистая структура. Вследствие интенсификации динамического возврата напряжение падает, а с развитием динами­ческой рекристаллизации начинается установившаяся деформация (горизонтальный участок). Дальнейшая деформация может сопровож­даться периодическим повторением циклов упрочнения и разупроч­нения, поэтому кривая напряжение — деформация приобретает вол­нистый характер (кривая 2).
...
Горячая деформация может протекать при температурах раство­рения дисперсных включений в сплаве и, поскольку вначале раство­ряются мелкие включения, в местах, освободившихся от них, возмож­на вторичная рекристаллизация.
...
Размер зерен в горячедеформированных металлах и сплавах за­висит от температуры и степени деформации и определяется с по­мощью диаграмм рекристаллизации II рода (рис. 2.37).
...
При горячей деформации, как и при холодной, возникает текстура деформации. В процессе развития динамической рекристаллизации возникает текстура, повторяющая текстуру деформации. После окон­чания деформации в металле или сплаве, имеющем большой запас энергии деформации, также развивается рекристаллизация, которую
...
Пластические и прочностные свойства металлов и сплавов зависят от взаимодействия между отдельными зернами и структурными состав­ляющими, которое, в свою очередь, определяется способностью от­дельных зерен к деформации и упрочнению. Прочностные и пластиче­ские свойства поликристаллического металла являются интеграль­ными по отношению к свойствам отдельных зерен и структурных со­ставляющих.
...
Одной из важнейших закономерностей деформации металлов и сплавов является ее неоднородный характер. Речь идет о природной микронеоднородности деформации металла, которую следует отли­чать от неравномерности деформации, связанной с режимом деформи­рования. Неравномерность пластической деформации может прояв­ляться внутри зерен, в их группе и в отдельных частях деформируе­мого тела. Поэтому различают субмикроскопическую, микроскопи­ческую и макроскопическую неоднородности деформации, которые названы соответственно неравномерностями деформации I, II и III ро­да. Неравномерность деформации I рода всегда сопровождается двумя другими.
...
Субмикроскопическая неоднородность деформации проявляется в пределах зерна. Сдвиговые процессы, осуществляемые движением дис­локаций в плоскостях скольжения, распределяются в объеме кристал­ла неравномерно: деформация сосредоточена в полосах скольжения, в то время как в участках кристалла, расположенных между ними, деформация может не развиваться. Скольжение происходит в плос­костях с наибольшей ретикулярной плотностью атомов, а активность этих плоскостей зависит от их ориентировки по отношению к внеш­нему напряжению. Даже при значительной степени деформации коли­чество таких плоскостей не превышает 1 %. Двойникование, как и скольжение дислокаций и дисклинации, также происходит в опре­деленных плоскостях и направлениях. Внутри одного зерна можно обнаружить участки, отличающиеся по степени деформации в 10 раз.
...
Микроскопическая неоднородность деформации определяется взаи­модействием зерен. Развитие деформации отдельных зерен поликри­сталлического металла зависит от кристаллографической ориентиров­ки их по отношению к внешней нагрузке. Деформация начинается вначале в тех зернах, которые благоприятно расположены по отно­шению к внешним напряжениям, затем происходит эстафетная пере­дача скольжения в соседние зерна или деформация активизируется в менее благоприятно ориентированных зернах. В связи с барьерным эффектом границ зерен деформация внутри каждого зерна осущест-
...
§ 4. Неоднородность деформации металлов и сплавов
...
вляется неодинаково: центральная часть зерна деформируется больше, чем области вблизи границ. Неоднородность дефор­мации может быть вызвана и неоднород­ным распределением примесей в зернах.
...
Неодновременный характер деформа­ции отдельных объемов зерна и соседних зерен вызывает изгибы и локальные по­вороты решетки, такие, как двойнико­
...
мации, например 20 %, в поликристал­лическом металле оказываются зерна, степень деформации кото­рых колеблется от 0 до 70 %. Неоднородность внутризеренной де­формации усугубляется присутствием частиц второй фазы, неметал­лических включений, которые могут быть пластичными или жесткими.
...
При повышении температуры неоднородность деформации увели­чивается в связи с развитием межзеренного проскальзывания, кото­рое также начинается неодновременно, в зависимости от ориентировки границ по отношению к внешнему напряжению и от разориентировки соседних зерен. Величина пластической деформации, вызванной меж-зеренным проскальзыванием, составляет примерно 8—12 % от пол­ной деформации, включающей суммарное действие внутризеренной и межзеренной деформации. Динамическая миграция границ зерен вносит свой вклад в неоднородное развитие деформации. Способность границ к миграции зависит от их ориентировки: когда граница зерен параллельна внешнему напряжению, движущая сила, действующая на границу, направлена в сторону зерна с большим пределом упру­гости, когда же граница перпендикулярна к внешнему напряжению, она движется в сторону зерна с меньшим пределом упругости. След­ствием неоднородного развития деформации является образование текстур деформации (кристаллографических и структурных).
...
Рассмотрим механизм развития микронеоднородной деформации на примере растяжения сплава железа, содержащего 0,06 % углерода и 0,04 % алюминия при температурах 25—1100°С. Определенный участок образца по прямой линии разбивали на интервалы длиной /„ = 10 мм (рис. 2.38). Деформацию образца осуществляли в три ступени до степеней деформации 4, 8 и 12 %, т. е. до значений сред­ней деформации образца е. При достижении каждой из этих трех сте­пеней деформации замеряли степень деформации всех интервалов е,:
...
Рис. 2.38. Схема расположения репериых точек для исследова­ния неоднородности деформации
...
При температуре 25—400 СС, когда развивается внутризеренное скольжение, происходит неоднородная деформация по отдельным микроинтервалам. Наблюдаются участки, е, которых больше и мень­ше 8,
...
Повышение температуры деформации до 900 °С и выше влияет на характер распределения микронеоднородной деформации. Наблюдает­ся изменение знака локальной деформации 8|
...
Неоднородное распределение микродеформаций в поликристал­лах — закономерное явление. Оно предопределяется различной ориен­тацией зерен, которая обусловливает упругую, прочностную и пла­стическую анизотропию поликристаллических металлов и сплавов. Температура деформации влияет на механизм развития деформации металлов.
...
Структура сплавов может состоять из двух фаз — жесткой и пла­стичной (одна фаза деформируется, а зерна другой тормозят развитие деформации) — или из двух пластичных фаз, обладающих разной способностью к упрочнению и динамическому разупрочнению. В по-
...
следнем случае деформация начинается в той фазе, которая пластич­нее, более жесткая фаза в это время деформируется упруго. Затем с повышением степени деформации в процесс вовлекается другая фаза. При холодной деформации это приводит к разной скорости упроч­нения фаз и в итоге к неоднородному упрочнению сплава. В процессе горячей деформации в фазе, деформирующейся первой, протекают процессы разупрочнения, в то время как в другой фазе развивается горячий наклеп и к моменту начала в ней разупрочнения в первой фазе вновь идет упрочнение и т. д. Неоднородность деформации двух­фазных сплавов и сплавов со сложной структурой выражена сильнее, чем однофазных (вследствие различия механических свойств фаз).
...
Макроскопическая неоднородность деформации предопределена ха­рактером внешнего деформирующего воздействия. Внешние напря­жения имеют определенную направленность, в результате чего возни­кает зональная неравномерность течэния деформации. Например, одноосное сжатие цилиндрического образца па 25 % приводит к фак­тическому колебанию деформации по высоте от 10 до 50 %. Сложнее распределены напряжения при двухосном растяжении и сжатии, из­гибе (максимальные напряжения приходятся на середину образца), прессовании (пластическая зона сосредоточена вблизи матрицы).
...
Для каждого вида деформации в образце можно выделить очаг, в котором она локализована. Например, при одноосном растяжении уменьшается площадь сечения на небольшом участке длины образца, т. е. образуется шейка. Мерой локализации деформации служит ко­
...
где О0 и й0 — соответственно начальный и текущий диаметры образца; 6 — относительное удлинение. Значение этого коэффициента не ос­тается постоянным в процессе деформации. Если относительное су­жение я); <; 20 %, то К стремится к нулю, т. е. деформация локали­зована незначительно; изменение г)- от 20 до 60 % вызывает увеличе­ние К до 0,5, возрастание от 60 до 90 % способствует повышению К почти в четыре раза, в результате чего происходит интенсивное раз­витие деформации в шейке образца. Таким образом, на разных этапах деформации скорость течения металла неодинакова. При достижении высоких степеней деформации скорость течения увеличивается на 2— 4 порядка из-за уменьшения объема металла, участвующего в дефор­мации.
...
В результате влияния сил трения между металлом и поверхностью деформирующего инструмента условия деформации по сечению изде­лия Оказываются неодинаковыми, поскольку напряжения в поверх­ностных и центральных слоях различны (рис. 2.39). На величину сил трения влияют температура инструмента и металла, размер инстру­мента (например, диаметр прокатных валков), смазка. Очаг деформа­ции можно разбить на несколько участков, в каждом из которых те­чение металла осуществляется по-разному (зональная неоднородность деформации). Например, в процессе Прокатки полосы в очаге дефор­мации металл проходит три стадии (рис. 2.40). На входе в валки цент-
...
ральная область металла течет с отставанием по отношению к на­ружным зонам (I стадия), при вы­ходе— с опережением (III ста­
...
дия), II стадия характеризуется относительно постоянной скоростью течения. Соответственно на каж­дой стадии изменяется сечение металлической заготовки.
...
Следствием такой макронеоднородности являются напряжения, которые возникают между различно деформированными слоями (зо­нальных напряжений I рода). Например, при прокатке полосы в по­верхностных слоях металла течение более интенсивное, и в них могут сыть остаточные напряжения сжатия; в центральной части, где ско­рость течения металла меньше,— остаточные напряжения растяже­ния. Деформированное состояние трубы характеризуется деформа­цией растяжения в осевом направлении и сжатия — по окружности. При любой схеме деформации, используемой в промышленности, на­блюдается макронеоднородность пластического течения металла, при­водящая к возникновению растягивающих и сжимающих напряжений.
...
Неоднородное развитие пластической деформации на разных уров­нях способствует возникновению остаточных напряжений I, II и III ро­да, которые могут приводить к образованию трещин, а также к сни­жению пластичности металлов и сплавов и неравномерному развитию их упрочнения.
...
Сверхпластичность — это способность некоторых металлов и спла­вов равномерно пластически деформироваться на очень большие сте­пени при относительно высоких температурах, малых напряжениях и скоростях деформации. Если металлы и сплавы, не проявляющие сверхпластичность, разрушаются с образованием шейки при дефор­мации не более 50 %, то в случае сверхпластичности можно добиться увеличения длины образцов в 10—30 и более раз.
...
Рис. 2.40. Схема неодиородиого течения металла в очаге прокатки (X. К- Род­жерс):
...
Склонность металла или сплава к сверхпластичности характеризует па­раметр /лСР, описывающий чувстви­тельность напряжения пластического течения о
...
скоростях деформации и значениях параметра тсп, меньших 0,5 (до 0,3); /7, протекающей при средних скоростях деформации (Ю-4—Ю-1 с-1) и максимальном значении параметра тсп = 0,8; ///, характерной для интервала высоких скоростей деформации (более Ю-2 с~'), когда параметр /псп < 0,3. Максимальное проявление сверхпластичности наблюдается на // стадии. Для сплавов, не склонных к сверхпластич­ности, параметр тсп от значения 0,2 уменьшается с увеличением ско­рости деформации. Значение напряжения в состоянии сверхпластич­ности мало и составляет несколько мегапаскалей и даже доли мега-паскаля. На // стадии материал не упрочняется, а предел текучести после деформации в режиме сверхпластичности остается на прежнем уровне. На /// стадии происходит заметное упрочнение материала.
...
не склонной к росту зерен. Более явно сверхпластичность выражена у двухфазных сплавов, в том числе у эвтектических, и в меньшей степени у однофазных — твердых растворов и чистых металлов. В двуфазных сплавах межфазные границы тормозят рост зерен каж­дой фазы, поэтому в них легче создаются условия для стабилизации мелкозернистой структуры, чем в однофазных сплавах. Если зерна обеих фаз равноосны, равномерно распределены и занимают примерно одинаковый объем, количество граничащих друг с другом зерен одной фазы будет минимально и эффект сверхпластичности выразится мак­симально. При этом обе фазы должны быть термически высокостабиль­ными, не склонными к коалесценции при нагреве и горячей деформа­ции и иметь близкую степень пластичности.
...
Механизм сверхпластичности основан на том, что пластическая деформация в условиях высоких температур и малых скоростей про­ходит путем скольжения и переползания дислокаций, диффузионного массопереноса за счет вакансий и проскальзывания вдоль межзеренных и межфазных границ. Важнейшая роль в создании оптимальных условий сверхпластичности принадлежит межзеренному проскальзыва­нию, которое осуществляется перемещением зернограничных дисло­каций и сопровождается диффузионным залечиванием микронесплош-ностей, возникающих на границах зерен. Типичных линий скольжения, свидетельствующих о внутризеренной деформации, не наблю­дали, поэтому было высказано предположение, что во время сверх­пластической деформации не происходит скоординированных пере­мещений дислокаций в плоскостях скольжения. Доля зернограничного скольжения в общей деформации максимальна в области наибольших значений параметра тсп-
...
Проскальзывание протекает преимущественно по границам, нахо­дящимся в плоскостях, расположенных под углом 45° к оси растяже­ния, на которых значения касательных напряжений максимальны.
...
Сверхпластическая деформация вызывает очень малые изменения микроструктуры. Зерна после максимального удлинения образца ос­таются приблизительно равноосными и вытягиваются лишь на ///
...
Рис. 2.42. Схема образования дислокаций в приграничных областях (М. Ф. Аш-би, С. X. Геллес, Л. Е. Таниер)
...
стадии. Сохранение равноосности зерен объясняется стабильностью напряжения течения. В зернах сплава, подвергнутого сверхпластической деформации, почти полностью отсутствуют дислокации, в то время как на /// стадии их плотность в некоторых зернах (при­мерно в 10 % зерен) возрастает и образуется ячеистая субструктура. Появление ее связано с генерированием дислокаций границами зерен вследствие пластической аккомодации (рис. 2.42). Возникающие при проскальзывании трещины могут быть устранены (рис. 2.42, а, б), а сплошность образца сохранена за счет образования дислокаций в приграничных областях (рис. 2.42, е). Аккомодационное скольжение не приводит к возникновению заметных линий скольже­ния, так как оно локализовано в областях, прилегающих к границам.
...
В процессе сверхпластической деформации границы зерен дей­ствуют как источники и стоки дислокаций. В последнем случае дисло­кации решетки реагируют с зернограничными поверхностями. Вы­ход зернограничных дислокаций на границу создает на ней ступеньки несоответствия, величина которых равна вектору Бюргерса зерногра­ничных дислокаций. Кроме того, взаимодействие последних с грани­цами приводит к образованию зернограничных дислокаций с векто­рами Бюргерса, параллельными поверхности границы. Движение зернограничных дислокаций способствует взаимному смещению зерен.
...
На рис. 2.43 показана схема взаимного смещения зерен при сверх­пластической деформации. В процессе деформации зерна 3 и 4 вытя­гиваются, а / и 2 перемещаются не параллельно зернам 3 и 4, а по перпендикулярным траекториям и вращаются при передвижении. Зерна перемещаются друг относительно друга сдвигом в плоскости границы, а также по нормали к границе путем диффузионного пере­носа атомов. При переходе в промежуточные состояния межзеренная
...
Рис. 2.43. Зеренная модель сверхпластической деформации:
...
поверхность увеличивается. Это и обеспечивает увеличение скорости течения примерно на порядок по сравнению с течением в процессе ползучести.
...
Деформация в условиях сверхпластичности является новым и пер­спективным методом обработки давлением. Преимуществами этого метода являются высокая деформируемость металлов и сплавов, что значительно расширяет возможности формоизменения; очень неболь­шие усилия, необходимые для деформации и позволяющие существен­но увеличивать размеры слитков и заготовок; возможность избежать разнотолщинности; отсутствие макро- и микронапряжений; мелкозер­нистость и равноосность структуры, обеспечивающая высокий ком­плекс механических свойств. Однако недостатки этой обработки (малая скорость деформации, высокие требования к исходной структуре, необходимость нагрева инструмента и др.) пока сдерживают ее ши­рокое внедрение. Сверхпластйческая деформация уже нашла приме­нение в процессах глубокой вытяжки листового проката, вакуумного и вакуумно-газового прессования, бесфильерного волочения трубной и конической заготовки. Открыты широкие возможности ее применения в различных видах термомеханической обработки.
...
Металлы и сплавы разрушаются путем образования и распростра­нения трещин. В зависимости от температуры, скорости деформации, структуры металла это происходит по нескольким механизмам. Для реализации разрушения необходима энергия накопленной деформации.
...
По величине деформации, предшествующей разрушению, разли­чают три вида разрушения: хрупкое, вязкое и квазихрупкое (квази­вязкое). Последнее является промежуточным, так как имеет признаки и хрупкого, и вязкого разрушения.
...
По структурному признаку выделяют транскристаллитное и ин-теркристаллитное разрушение. В случае транскристаллитного раз­рушения трещины распространяются через зерна, при интеркристал-литном — они проходят по границам зерен.
...
Разрушение — это сложный, многостадийный процесс, развиваю­щийся на структурном и атомном уровнях. Условием высокой проч­ности металлов и сплавов, упрочненных деформацией, является вы­сокая плотность дислэкаций, движение которых должно быть затор­можено внутренними барьерами. Последние делят на «жесткие» и «полупроницаемые». Жесткие барьеры способствуют очень большой локализации напряжений, так как совершенно не пропускают дисло­кации. Указанные напряжения могут превысить величину предела прочности и привести к разрушению. К жестким барьерам относятся большеугловые границы, некогерентные частицы второй фазы (не пла­стичные). Полупроницаемые барьеры на определенном этапе не про­пускают дислокации, вызывают их скопление и способствуют локали­зации напряжений. Если эти напряжения приближаются к величине предела прочности, происходит их релаксация путем прорыва дисло­каций. К полупроницаемым барьерам относятся мало- и среднеугло-вые границы, когерентные включения и пластичные частицы второй фазы.
...
двух процессов дислокационная и зеренная структуры металла постоянно изменяются, что может привести к критическому состоянию. Кри­тическая структура (структура предразруше-ния) — это такая структура, которая не может видоизменяться без образования трещин. Хрупкое разрушение наблюдается тогда, когда ему предшествует Совсем небольшая пластическая деформация металла. Этот вид раз­рушения сопровождается минимальным поглощением энергии и про­ходит со скоростью, близкой к скорости звука. Хрупкие трещины возникают в металле под действием внешних нагрузок. Механизмы их возникновения носят дислокационный характер (рис. 2.44).
...
Согласно модели Мотта — Стро микротрещины образуются в местах скопления групп краевых дислокаций у границы зерен или неметал­лического включения, в этом случае трещина зарождается в резуль­тате слияния нескольких головных дислокаций скопления (рис. 2.44, а). Расчеты показали, что количество дислокаций в скоплении достигает Ю2—103. Трещина формируется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, если напряжение в месте торможения сдвига достигает значения, примерно равного 3/4G.
...
По механизму Коттрелла, если дислокации движутся в двух пе­ресекающихся плоскостях скольжения, например (ЮГ) и (101), то в месте их пересечения появляются раскалывающие дислокации по реакции: а/2 [III]
...
Механизм Орована основан на пересечении вертикальных дисло­кационных стенок полосами скольжения (рис. 2.44, е). Условиями зарождения трещины могут быть сильная разориентировка субзерен и обрыв субграницы. Трещинообразование возможно в результате торможения двойников, движущихся с высокой скоростью, границами верен и субзерен (рис. 2.44, г); встречи двойников друг с другом, по­скольку двойники при блокировке их движения способны создавать высокие напряжения.
...
Дисклинационные механизмы образования трещин аналогичны дис­локационным и проявляются при больших степенях деформации, когда размножение и движение в кристалле дисклинации приводят к фрагментации кристалла, т. е. к делению его на сильноразориенти-рованные малые области. В результате возможны дисклинационные сбросы. Трещины клиновой формы возникают в стыках фрагментов и распространяются вдоль субграниц.
...
где ут — удельная поверхностная энергия трещины; с — размер тре­щины. Выражение (2.30) справедливо для случая упругой деформа­ции металла. Небольшая пластическая деформация, предшествующая хрупкому разрушению, способствует тому, что роль трещины как концентратора напряжений снижается, поскольку в результате пласти­ческой деформации радиус кривизны рт в вершине трещины увели­чивается. Поэтому потребность в энергии, необходимой для продол­жения распространения трещины, возрастает. Для указанных усло­вий критерий Гриффитса имеет следующий вид:
...
В процессе разрушения накопленная энергия деформации металла расходуется на образование поверхности разрушения и частично пе­реходит в кинетическую энергию распространяющейся трещины. Хрупкое разрушение или скол металлов осуществляется по опреде­ленным кристаллографическим плоскостям скола в зависимости от типа кристаллической решетки.
...
Хрупкое транскристаллитное разрушение может реализоваться сколом и срезом, которые отличаются видом поверхностей разрушения. Поверхность скола имеет кристаллографическую направленность и представляет собой почти гладкие участки с мелкими ступеньками (так называемый «речной узор») (рис. 2.45). Этот рельеф свиде­тельствует о том, что поверхность скола не целиком располагается в одной плоскости, а трещина по сту­пенькам изменяет свое направле­ние и переходит в другие парал­лельные плоскости благодаря встре­че с винтовыми дислокациями или включениями. Поверхность среза волокнистая и не отличается кри­сталлографической направлен­ностью.
...
Вязкое разрушение происходит после значительной пластической деформации. Оно развивается пу­тем образования и слияния пор в сильно деформированной области шейки образца. Раньше мы пришли к выводу, что неоднородность пластической деформации приводит к локализации деформации и неравномерному упрочнению металла. В результате этого в отдельных областях металлического образца на­пряжения превышают предел прочности металла, что приводит к об­разованию вязких трещин, или микропор (рис. 2.46). Вязкие трещины отличаются от хрупких овальной формой. Поры появляются в местах пересечения плоскостей скольжения друг с другом, с границами зерен
...
и субзерен (рис. 2.46, с), у неметалличе­ских включений (рис. 2.46, б), т. е. в наи­более напряженных участках ячеистой дислокационной структуры.
...
Рост пор происходит в результате развития пластической деформации в прилегающих областях и выхода дисло­каций на поверхность пор. При растя­жении поры растут под углом 45° по от­ношению к внешнему напряжению или параллельно ему, т. е. в направлении ин­тенсивной деформации. В процессе ро­ста поры сливаются и образуют магист­ральную трещину, распространяющую-Рис.
...
Рельеф поверхности излома в случае вязкого транскристаллитного разрушения состоит из лунок (рис. 2.46, в), которые называют чаш­ками, а сам излом — чашечным. Иногда на поверхности излома встре­чаются участки с удлинёнными лунками, что объясняется совпаде­нием поверхности разрушения с плоскостью, в которой действуют максимальные касательные напряжения.
...
При повышении температуры деформации возможен переход от транскристаллитного к вязкому интеркристаллитному разрушению металла. Температура перехода называется эквикогезивной
...
Высокотемпературное интеркристаллитное разрушение происхо­дит в результате образования по границам зерен клиновидных трещин (рис. 2.48). Клиновидные трещины на стыках зерен зарождаются при относительно низких температурах (для железа, например, 900 °С) и высоких скоростях деформации (рис. 2.48, а). Полости на грани­цах наблюдаются главным образом при высоких температурах (для железа, например, при 1100 °С) и низких скоростях деформации (рис. 2.48, б).
...
Рис. 2.48. Межзеренные трещины в деформированном железном сплаве:
...
Механизмы образования трещин и полостей на границах носят дислокационный характер (рис. 2.49). Трещины клиновидного типа возникают в результате торможения проскальзывания вдоль границ (или субграниц) на стыке трех зерен, обусловленного высокой кон­центрацией напряжений т (рис. 2.49, а). Полости появляются в участ­ках пересечения границы полосой внутризеренного скольжения (рис. 2.49, б), в месте торможения которой на границе образуется порог-ступенька. В результате межзеренного проскальзывания попе­рек ступеньки действуют нормальные напряжения, способствующие •зарождению полости.
...
Клиновидные трещины и межзеренные поры растут в результате межзеренного проскальзывания и выхода зернограничных и внутри-з.'ренных дислокаций на их поверхность. Диффузионное развитие межзереяяых пор обусловлено движением вакансий к их поверхности. На рис. 2.50 показаны поверхности излома после межзеренного раз­рушения сплава железа при 1100°С, причем видно, что разрушение
...
Виды хрупкости металлов. Многие ме­таллы и сплавы при высоких температу­рах претерпевают вязкое разрушение, а с понижением температуры разруша­ются хрупко, т. е. обладают низкотем­пературной хрупкостью (хладнолом­костью). Переход от вязкого к хрупко­му состоянию обычно осуществляется в очень узком температурном интервале. Условия перехода можно описать с по­мощью схемы (рис. 2.51), согласно кото­
...
Рис. 2.50. Структура поверхности излома при визком интеркристаллитном разруше­нии:
...
температуры предела текучести от. Точка пресечения линий 5ОТ и сгт делит схему на две температурные области (соответственно левее и правее точки пересечения): хрупкого и вязкого разрушения. Точка пересечения линий соответствует критической температуре хрупко­сти а'кр, ее называют температурой
...
Для металлов не существует постоянной температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое. Чем больше скорость деформации и размеры зерен металла, тем выше температура хладноломкости. Переход от вязкого к хрупкому состоянию происходит при ударном нагружении. Увеличение количества примесей, особенно при их скоп­лении на границах зерен, также способствует повышению темпера­туры перехода металла в хрупкое состояние.
...
Интеркристаллитное разрушение при высоких температурах счи­тают проявлением высокотемпературной хрупкости (красноломкости), так как пластичность металлов в этом случае заметно понижается. Причины ослабления границ зерен могут быть связаны с выделением примесей или новых фаз по границам зерен, оплавлением легкоплав­ких включений, межкристаллитным окислением. Уменьшить склон­ность металлов к высокотемпературной хрупкости можно путем из­мельчения зерен, поскольку в случае большой протяженности границ интеркристаллитное разрушение затруднено.
...
Интеркристаллитная хрупкость сплавов может проявляться при низких температурах. В основе этого явления лежит специфическое состояние границ зерен, обеспечивающее минимальную энергию раз­рушения металла вдоль границ. Основными причинами интеркристал-литной хрупкости являются образование сегрегации примесей на гра­ницах зерен, а также действие внутренних напряжений в области границ, возникших в результате выделения избыточных фаз на границах.
...
Примеси могут вызывать не только интеркристаллитную хруп­кость. При высокой плотности дислокаций (декорированных приме­сями) внутри кристаллов, т. е. в случае образования внутри-
...
Вследствие формирования в процессе деформации кристаллогра­фической и структурной текстур может возникнуть анизотропия раз­рушения. Хрупкое разрушение наиболее опасно при расслоении и 45-градусной хрупкости (названной так в связи с распространением трещин под углом 45° по отношению к оси деформации). В этих слу­чаях разрушение локализуется по субграницам, в которых ранее была локализована пластическая деформация. Расслоение возникает в результате вязкого развития трещины вдоль субграниц слоистой ячеистой дислокационной структуры с разориентировкой около 10°.
...
Железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун — имеют большое значение как основные материалы современной промышленности. С каждым годом их производство неуклонно возрастает. В настоящее время доля железных сплавов в машиностроении превышает 95 % и ежегодно мировая металлургия производит свыше 5 млрд. т желез­ных сплавов.
...
Диаграммы состояния компонентов системы железо — углерод при­ведены на рис. 3.1. Рассмотрим свойства железа. Химически чистое железо — металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атом­ная масса 55,85, атомный радиус 1,27 • 10—8 см. Оно в зависимости от температуры и давления может находиться в трех агрегатных со­стояниях: кристаллическом, жидком и газообразном. Железо — по­лиморфный металл, который в кристаллическом состоянии может быть в четырех модификациях. При атмосферном давлении Р1 в интервале температур 20—910 °С существует а — Ре, имеющее ОЦК решетку с координационным числом, равным восьми. Атомный радиус ос — Бе 1,26 • Ю-8 см, параметр решетки при температуре 20 °С составляет 2,8606 • Ю-8 см. До температуры 768 °С (точка Кюри) железо ферро-магнитно, выше этой температуры — парамагнитно. При 911 °С про­исходит полиморфное превращение а — Ре в у — Ре, которое устой­чиво до температуры 1400 °С и имеет ГЦК решетку с координацион­ным числом, равным 12. Атомный радиус у — Ре 1,284 • Ю-8 см, параметр решетки 3,656 • Ю-"8 см. Температура 1400 °С является точкой второго полиморфного превращения у — Ре в б — Ре. Моди­фикация 6 — Ре имеет ОЦК решетку с координационным числом, равным восьми, и параметром 2,96 • 10~8 см, она устойчива до тем­пературы плавления 1536 °С. При высоких давлениях (выше 13 ГПа) и температурах ниже 770 °С устойчиво е — Ре, для которого харак­терна ГП решетка с координационным числом, равным 12, и отноше­нием параметров с/а, равным 1,603.
...
Между атомами железа в твердом состоянии существует металли­ческая связь, заключающаяся в том, что положительно заряженные ионы, колеблющиеся относительно воображаемых узлов кристалли­ческой решетки, взаимодействуют с валентными электронами (Зс/24х2), образующими электронный газ Кристаллическое железо имеет даль­ний порядок расположения атомов, жидкое — ближний порядок и также обладает металлическим типом связи. Газообразное железо не отличается от обычных газов. Между хаотически расположенными атомами существуют связи типа Ван-дер-Ваальса.
...
Железо при температуре 20 °С имеет следующие механические свойства: модуль упругости Е = (19—21) • 104 МПа; модуль сдвига й = 8,4 • 10~2 МПа; предел прочности при растяжении ов = 170— 210 МПа; предел текучести при растяжении ат = 100 МПа; отно­сительное удлинение 6 = 45—50 %;
...
Второй компонент системы — углерод — является неметалличе­ским элементом. Он имеет атомный номер 6, атомную массу 12, атом­ный радиус 0,77 - Ю-8 см, температуру плавления 3500 °С. Углерод полиморфен. Кристаллические решетки модификаций углерода по­казаны на рис. 3.2. В обычных условиях он находится в виде модифи­кации графита, которой свойственна гексагональная слоистая кри­сталлическая решетка. В слоях расстояние между атомами составляет 1,415 • 10-8 см, сила связи достигает 712,3 кДж/г-ат, тип связи ко-валентный. Между слоями расстояние равно 3,3544 • 10—8 см, сила связи между атомами типа Ван-дер-Ваальса достигает 8,38 кДж/г-ат. Графит мягок благодаря слоистости его структуры. Алмазная моди­фикация углерода существует при высоких давлениях, имеет тетра-
...
эдрическую решетку с ковалентной связью между атомами, находя­щимися на расстоянии 1,545 • 10—8 см. Алмаз — самый твердый из существующих в природе минералов, что объясняется значительной энергией связи между атомами (712,3 кДж/г-ат).
...
В системе Ре — С различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы (а-феррит, аустенит, 6-феррит), а также высокоуг­леродистые фазы — графит и цементит.
...
Структура жидкого раствора углерода в железе зависит от кон­центрации углерода в расплаве. Особенностью жидкого раствора яв­ляется склонность к образованию различных типов ближнего порядка в расположении атомов. При содержании углерода менее 0,2 % и бо­лее 0,6 % жидкость имеет ближний порядок в размещении атомов же­леза, близкий соответственно к ОЦК и ГЦК решеткам, при этом атомы углерода занимают позиции внедрения. Интервал концентраций углерода 0,2—0,5 % считают переходным от ОЦК и ГЦК. В случаях высоких концентраций углерода (более 2 %) ближний порядок в рас­положении атомов железа соответствует ГП решетке, атомы углерода имеют тенденцию к образованию группировок, что приводит к нару­шению микронеоднородности жидкости.
...
Твердые растворы образуются на базе а-, у- и 6-модификаций железа в результате растворения атомов углерода по типу внедрения. Твердые растворы а- и 6-ф е р р и т имеют ОЦК решетку, аусте­
...
Феррит ферромагнитен до температуры 768 °С. При температуре 20 °С он имеет следующие механические свойства: ов = 250 МПа; от = 120 МПа; 6 = 50 %; ф = 80 %; НВ = 80—90. Аустенит об­ладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и проч-н>сти при высоких температурах.
...
Высокоуглеродистая фаза в системе Ре — С может быть стабиль­ной (графит) и метастабильной (цементит). Графит
...
Цементит представляет собой карбид железа Ре8С, имеющий орторомбическую решетку. Согласно формуле, в цементите находится около 6,67 % 'С. Это метастабильная фаза, которая при высоких тем­пературах распадается с образованием графита и богатого железом раствора. Ниже температуры 210 °С цементит магнитен. Цементит — очень твердая (НУ « 1000), но хрупкая фаза.
...
В зависимости от условий охлаждения превращения в Ре — С сплавах проходят в условиях стабильного (при медленном охлажде­нии) или метастабильного равновесия (при быстром охлаждении). Соответственно различают две диаграммы состояния (рис. 3.3.).
...




Конструкционные материалы: Справочник
Основы металлографии и пластической деформации стали
Оборудование для контактной сварки постоянным током
Справочник конструктора металлических конструкций
Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности