Основы металлографии и пластической деформации стали

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Основы металлографии и пластической деформации стали

Диффузией называется перемещение атомов в металле (сплаве) на расстояния, превышающие средний параметр его кристаллической решетки. Процесс движения атомов в металле под действием теплового возбуждения является самодиффузией. Перемещение атомов примесей, сопровождающееся изменением концентрации элементов, называется собственно диффузией, или гетеродиффузией.
...
Большинство явлений, протекающих в металлах и сплавах, носят диффузионный характер. К ним относятся кристаллизация, фазовые превращения, пластическая деформация.
...
В основе процесса диффузии в металлах лежит атомный механизм. Предложено несколько моделей диффузионного движения атомов. Согласно циклическому механизму диффузия представляет собой совместное перемещение группы атомов, меняющихся местами по кругу. По обменному механизму диффузии соседние атомы меняются местами. Вакансионный и межузельный механизмы заключаются в обмене атома местом соответственно с вакансией и межузельным атомом. В металлах самодиффузия и диффузия атомов примесей с большими радиусами осуществляются преимущественно по вакансионному механизму, а перемещение атомов примесей, имеющих малые радиусы,— по межузель-ному.
...
Количество атомов, проходящих в единицу времени через единицу площади поверхности раздела (поток вещества /), описывается первым уравнением Фика:
...
Диффузия значительно облегчается, если в металле имеются дефекты кристаллического строения. При наличии дислокаций самодиффузия и диффузия атомов примесей ускоряются, так как решетка около дислокаций сильно искажена. Наиболее интенсивно атомы перемещаются вдоль ядра дислокации. Энергия активации при зернограничной диффузии (по границам зерен и блоков) примерно вдвое меньше таковой в случае объемной диффузии (по телу зерен).
...
Рост зародышей возможен при достижении ими критической величины. Зародыши меньших размеров не устойчивы. Размер критического зародыша гкр определяется из соотношения
...
В процессе кристаллизации свободная энергия системы изменяется в результате перехода металла из жидкого в твердое состояние и образования поверхностей раздела. Суммарное изменение свободной энергии металла АР
...
Энергия, необходимая для гомогенного образования зародышей, может быть получена за счет энергетических флуктуации, т. е. в результате появления в жидкости группировок атомов, имеющих размеры больше критических и обладающих повышенной энергией.
...
где п — число атомов в кристалле (зародыше); Л0 — работа образования зародыша; т — время; Av — изменение химического потенциала при переходе одного атома из жидкости к кристаллу; q
...
Форма кристаллов зависит от условий их роста. В равновесных условиях в процессе медленного охлаждения образуются правильно ограненные кристаллы, грани которых растут равномерно. Неоднородное распределение температуры и примесей в жидкости способствует преимущественному развитию граней кристаллов, имеющих плотную упаковку атомов, и минимальную поверхностную энергию. При наличии примесей в жидкости поверхность кристаллов может быть неравномерной, образуется множество ячеек, центр и края которых растут с разной скоростью. Ускоренное охлаждение приводит к тому, что наряду с плотноупакованными гранями растут грани с менее плотной упаковкой, в результате возникают игольчатые, пластинчатые и дендритные кристаллы.
...
Полиморфизм — это способность металлов существовать в различных модификациях при изменении температуры и давления. Многие металлы (железо, натрий, литий, марганец, кобальт, титан и др.) обладают этим свойством. Например, титан, марганец, кобальт и гафний имеют по две модификации соответственно с такими решетками: гексагональной и ОЦК, кубической и тетрагональной, ГЦК и ГП, ГП и ОЦК.
...
На диаграммах состояния полиморфных металлов (рис. 1.30) область кристаллического состояния разделена на несколько участков, в пределах которых устойчива соответствующая модификация. Модификации одного и того же металла обозначаются буквами греческого алфавита (а, |3, е, у). Линии, разделяющие эти участки, описывают
...
Полиморфное превращение металла, или перекристаллизаиия, происходит в результате образования и роста зародышей новой фазы. В случае переохлаждения металла ниже тем
...
Полиморфные превращения в металлах сопровождаются скачкообразным изменением их физических, механических, химических и других свойств.
...
Для получения сведений о структуре сплавов используются диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия. С их помощью определяют температуры начала и конца кристаллизации или расплавления любого сплава данного состава, число, тип и состав фаз, присутствующих в любом сплаве при заданной температуре; рассчитывают относительное весовое количество фаз в двухфазных областях; описывают процессы кристаллизации или плавления и соответствующие превращения в твердом состоянии, определяют микроструктуру сплава при любой заданной температуре. Закономерность изменения числа фаз в сплаве устанавливается правилом фаз Гиббса
...
где 5 — число степеней свободы; К — число компонентов; 2 — количество внешних факторов (температура и давление); / — число фаз, находящихся в равновесии.
...
Жидкие растворы образуются в процессе сплавления двух или нескольких компонентов — простых элементов или соединений, когда между их атомами возникают определенные взаимодействия. Атомы сплавляемых компонентов ионизируются, испытывают колебания около положений равновесия и, перемешиваясь, непрерывно движутся в объеме. При понижении температуры в жидкости начинают проявляться химические свойства компонентов. Это приводит к тому, что нарушается существовавшее при высоких температурах статистическое распределение атомов. В макроскопических объемах жидкости возможны временные, местные отклонения состава от среднего значения, которые называют концентрационными
...
Твердыми растворами называются кристаллические вещества, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке и изменяют ее параметры. При образовании твердого раствора наблюдается повышение твердости, пределов текучести и прочности, так как искаженные в местах расположения атомов растворенного компонента области препятствуют движению дислокаций. Упрочнение сплава (твердого раствора) определяется по формуле Мотта — Набарро
...
где В — параметр, зависящий от степени различия размеров атомных радиусов; С — атомная концентрация растворенного компонента.
...
§ 1. Фазы, возможные в сплавах. Диаграммы состояния сплавов
...
Различают три вида твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента находятся в узлах кристаллической решетки растворителя. Такие растворы могут образоваться, если разница в размерах атомов компонентов не превышает 10—15 %, кристаллические решетки последних изоморфны (одинаковы), элементы принадлежат к одной или смежным группам периодической системы. В твердых
...
Рис. 1.31. Диаграмма состояния компонентов с неограниченной растворимостью в жидком и твердом СОСТОЯНИЯХ
...
В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях кристаллической решетки растворителя. Растворы внедрения образуют с металлами элементы с малым атомным радиусом (углерод, водород, азот, бор) и отличаются ограниченной растворимостью.
...
Твердые растворы вычитания возникают на базе химических соединений (промежуточных фаз), в узлах кристаллической решетки которых недостает определенного количества атомов одного из компонентов. В этом случае химическое соединение имеет переменный состав.
...
Рис. 1.31. Диаграмма состояния компонентов с неограниченной растворимостью в жидком и твердом
...
Кристаллизация сплава продолжается в процессе дальнейшего охлаждения, относительное количество фаз постоянно изменяется. Сплав полностью затвердевает при достижении температуры 4 (солидус). - Таким образом, для затвердевания сплавов необходимо постепенно уменьшать температуру, чистые же металлы кристаллизуются при постоянной температуре. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а твердого раствора — по линии солидуса. В случае медленного охлаждения сплав кристаллизуется с образованием однородного а-твердого раствора. При ускоренном охлаждении сплава состав а-фазы в пределах каждого кристалла не успевает выравниваться. Внутренняя часть кристаллов, образовавшаяся при температуре (1г имеет состав, определяемый точкой составу следующего слоя, возникшего при температуре,—отвечает точка 2'
...
Для осуществления горячей пластической деформации сплавы нагревают до высоких температур, при этом возможно достижение температуры неравновесного окончания кристаллизации неоднородного твердого раствора (при /4), в результате зоны, обогащенные легкоплавкими компонентами, оплавляются. Деформация сплава с прослойками жидкой фазы может привести к браку или даже к аварии на прокатном стане. Чтобы избежать этого, деформацию следует проводить при температурах ниже неравновесного солидуса, либо использовать предварительный гомогенизирующий отжиг.
...
На диаграмме состояния компонентов, образующих ограниченные твердые растворы (рис. 1.32), существуют две области ограниченной растворимости: компонента Б в компоненте А (а-твердый раствор) и компонента А в компоненте Б (|3-твердый раствор). Линии аб и вг являются линиями ограниченной растворимости компонентов друг в друге, /Пл£7пл — ликвидуса, ^аЕЫ^,— солидуса. На линии аЕЪ реализуется трехфазное равновесие аа + Же +
...
Рис. 1.32. Диаграмма состояния компонентов с эвтектическим равновесием (в) н схемы эвтектического распада жидкости (б—г)
...
Рассмотрим процесс кристаллизации сплавов разного состава. Сплавы I я II затвердевают аналогично сплаву, схема кристаллизации которого приведена на рис. 1.31. Сплав /// эвтектического состава имеет самую низкую температуру затвердевания. При температурах выше ¿1
...
В зависимости от степени переохлаждения изменяется ход эвтектического превращения. При незначительном переохлаждении кристаллы а- и р-твердых растворов зарождаются и растут в жидкости раздельно. Образование кристаллов аир
...
Рис. 1.32. Диаграмма состояния компонентов с эвтектическим равновесием (в) н схемы эвтектического распада жидкости (б—
...
чатые (рис. 1.33, в, г). Форма пластин и стержней эвтектических фаз может быть самой различной, этим и объясняется разнообразие эвтектических структур. Эвтектики также различаются по виду ячеек, .из которых состоит эвтектическая колония.
...
Морфология эвтектики, механические свойства составляющих ее фаз, а также степень их дисперсности определяют уровень прочностных
...
Рис. 1.33. Структуры эвтектических сплавов систем СУ— 2п
...
и пластических свойств сплава. Чем дисперсией эвтектика и больше степень разветвления эвтектических фаз, тем выше прочность металлического сплава. На свойства до- и заэвтектических сплавов влияет морфология первичной фазы а (рис. 1.33, д) или В (рис. 1.33, ё). Эвтектическая кристаллизация проходит в сплавах железо — углерод, алюминий — кремний, цинк — магний, алюминий — германий, кадмий — цинк, цинк — алюминий и др.
...
состояния в этом случае имеет вид, показанный на рис. 1.34. Линии ^ла^ и ^бв^л являются соответственно линиями ликвидуса и солидуса, бг
...
При температурах линии ликвидуса и выше сплавы находятся в жидком состоянии. Затвердевание сплавов /, //, ///начинается после их переохлаждения ниже линии ликвидуса до температуры 4
...
Рис. 1.34. Диаграмма состояния компонентов с пернтектнческим равновесием
...
и жидкой фаз совпадают, химические соединения называют конгруэнтно плавящимися, или соединениями с открытым максимумом (рис. 1.35, а). Если же при плавлении химического соединения образуются жидкая и твердая фазы, причем их составы отличаются, такие химические соединения называют инконгруэнтно плавящимися, или соединениями со скрытым максимумом (рис. 1.35, б).
...
Полиморфные превращения. Диаграммы состояния сплавов усложняются, если один или оба компонента системы полиморфны (рис. 1.36). Диаграмма состояния компонентов, растворимых неограниченно и ограниченно растворимых
...
дефектных участках структуры ^-твердого раствора (на границах зерен и субзерен, у частиц неметаллических включений, в скоплениях дислокаций). Они отличаются от исходной
...
Рис. 1.35. Диаграммы состояния компонентов, образующих химические соединения переменного состава
...
мации наблюдается сверхупругость, а также в процессе нагрева после деформации во время прохождения определенного температурного интервала, когда изделие «вспоминает» (восстанавливает) форму, которую оно имело до деформации, и таким образом проявляется э ф -фект
...
На рис. 1.36, в приведена диаграмма состояния компонентов, высокотемпературные модификации которых растворимы друг в
...
Рис. 1.37. Участок диаграммы состояния компонентов, ограниченно растворимых друг в друге
...
Резко охлаждая сплав, можно подавить выделение избыточных фаз, т. е. получить сильно пересыщенный твердый раствор. Внутренняя энергия последнего будет повышенной, поэтому система стремится уменьшить степень пересыщения путем выделения избыточных фаз. Процесс выделения избыточных фаз из пересыщенного твердого раствора называется дисперсионным
...
Рис. 1.38. Схема распада пересыщенного твердого раствора прн старении
...
Если радиус кривизны гг уменьшается, линия аб смещается вправо, если кривизна отрицательная — влево (на рис. 1.37 штриховыми линиями отмечены изменяющиеся положения кривой аб). В а
...
ше, участки же (3-кристалла с выступами растут (штриховые линии). Сфероидизацию используют при термической обработке сплавов дтя
...
Напряженно-деформированное состояние металлов. Внешние силы, действующие на металл, могут быть растягивающими, сжимающими, изгибающими, скручивающими. Они вызывают в металле соответствующее напряженное состояние. Например, одноосное растяжение или сжатие приводит к возникновению одноосного напряженного состояния. При более сложных схемах деформации металл находится в условиях двухосного или трехосного (объемного) напряженного состояния.
...
Напряжением называют приложенную к телу силу, отнесенную к единице площади его сечения. Общее напряжение состоит из нормального и касательного напряжений, действующих существенно перпендикулярно к сечению и в плоскости сечения образца. Напряженное состояние в любой точке образца, т. е. значения нормальных и касательных напряжений, определяют с помощью тензора напряжений. Напряжения, возникающие в металле, соответственно влияют на процессы деформации и разрушения. Металлы и сплавы в случае приложения внешней нагрузки находятся в упругом или вязкопласти-ческом состояниях, которые характеризуются соответствующими значениями напряжений и деформаций.
...
Деформация — это изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Она бывает упругой и пластической. Упругой является деформация, влияние которой на форму, размеры, структуру и свойства сплава полностью устраняется после прекращения действия внешних напряжений. При возрастании приложенных напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой, и после снятия внешней нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Пластической считают такую деформацию, при которой форма и размеры тела изменяются необратимо.
...
Характер деформированного состояния металла определяется его напряженным состоянием и может быть одноосным, двухосным и объемным. Деформированное состояние в любой точке образца описывают с помощью тензора деформаций.
...
Важнейшим свойством металлов и сплавов является их пластичность, позволяющая получать изделия, имеющие различные формы и размеры. Пластичность
...
МЕТАЛЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
...
Одной из важных особенностей металлов и сплавов является их • сравнительно высокая п р о ч н о с т ь, т. е. способность сопротивляться деформации при воздействии внешних сил. Если возможность сопротивления тела деформации исчерпана, появляются трещины, которые нарушают его сплошность и непрерывность, т. е. вызывают разрушение.
...
Разрушением называется разделение тела на части под действием напряжений. Оно бывает вязким, хрупким и квазивязким (квазихрупким). Вязкое разрушение сопровождается значительной пластической деформацией, при хрупком разрушении пластическая деформация мала. Квазивязкое (квазихрупкое) разрушение является переходным между вязким и хрупким разрушением.
...
Механическое поведение металлов и сплавов определяется способностью их сопротивляться упругой и пластической деформации и разрушению.
...
Механические испытания. Закономерности, связывающие напряжения, которые возникают в металле под воздействием приложенной нагрузки, с соответствующими деформациями, находят при механических испытаниях.
...
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла или сплава под действием приложенных внешних механических сил. В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств.
...
К статическим механическим испытаниям относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Чаще образцы испытывают на растяжение. Машины для испытания снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения, которая дает наглядное представление о поведении металла (сплава) под нагрузкой (рис. 2.1). Кривая изменения абсолютного удлинения Л/ в зависимости от прилагаемой нагрузки Р называется технической диаграммой растяжения (рис. 2.1,
...
а) Кривая изменения условного напряжения о в зависимости от относительного удлинения б называется условной диаграммой растяжения (рис. 2.1,6, кривая /). Координаты для этой диаграммы устанавливают следующим образом:
...
где Рх — сила; 0 — начальная площадь поперечного сечения образца; А1 = I — /0 — изменение длины образца (абсолютное удлинение); /0 — начальная расчетная длина образца.
...
С помощью диаграммы растяжения можно определить критические напряжения, т. е. пределы упругости, пропорциональности, текучести и прочности. Предел
...
Характер разрушения материалов в зависимости от вида испытаний различен. Хрупкие металлы в процессе растяжения разрушаются путем отрыва, при сжатии — срезом. Пластичные материалы, разрывающиеся при растяжении, в случае сжатия вовсе не разрушаются: образец сплющивается в диск.
...
Механические испытания на изгиб малопластичных материалов проводятся путем воздействия сосредоточенной нагрузки на образец, лежащий на двух опорах. В процессе испытаний производится запись диаграммы зависимости изгибающего усилия от стрелы прогиба, в результате получают пределы упругости, пропорциональности и текучести. Для определения нормального напряжения пользуются формулой
...
Мерой пластичности может служить угол р, на который деформировался образец до появления первой трещины. Хрупкие материалы разрушаются, образцы пластичных материалов изгибаются до соприкосновения сторон. Для испытания на изгиб применяют плоские образцы.
...
Испытанию на кручение подвергают цилиндрические образцы. При этом определяют касательные пределы упругости, пропорциональности, текучести, поскольку наибольшие касательные напряжения действуют в плоскости нормального поперечного сечения и Тщах
...
Определяемая ударная вязкость является суммой двух величин: работы, затрачиваемой на деформацию образца до зарождения трещины а3, и работы, требуемой для распространения трещины ар.
...
К\с дает возможность рассчитать на прочность конструкции при наличии в металле микротрещин, т. е. позволяет получить количественную оценку хрупкости материала. С помощью Ки находят критическую длину трещины, которая может вызвать преждевременное разрушение при заданном уровне напряжений, и размер максимально безопасного дефекта при данном уровне напряжений.
...
Метод определения твердости по Бринеллю основан на том, что в плоскую поверхность металла (сплава) вдавливается под постоянной нагрузкой Р твердый стальной шарик диаметром Б. После снятия нагрузки образуется отпечаток диаметром й. Твердость по Бринеллю НВ рассчитывают так:
...
нагрузки, подвергаются воздействию повышенной или пониженной, а часто и циклически изменяющейся температуры. В зависимости от условий эксплуатации могут проявляться такие негативные свойства металлов и сплавов, как усталость, ползучесть, хладноломкость, износ. Детали современных машин испытывают действие нагрузок, изменяющихся либо по величине, либо по величине и знаку. Металл (сплав), находящийся в условиях переменных (циклических) и особенно знакопеременных нагрузок, разрушается при напряжении, которое значительно ниже предела прочности. Процесс постепенного накопления повреждений металла под действием циклических или знакопеременных напряжений, приводящий к разрушению, называется усталостью. При испытаниях на усталость определяют предел
...
Если деформация образца происходит во времени под действием постоянного напряжения, величина которого меньше предела текучести, такое явление называют ползучестью. Процесс ползучести исследуют по кривым ползучести, полученным на специальных установках. При этом оценивают способность металла сопротивляться пластической деформации под воздействием длительно приложенной постоянной нагрузки — длительную прочность. В условиях повышенных температур металл нередко должен противостоять кратковременному или длительному действию внешних нагрузок, вызывающих деформацию и разрушение, т. е. обладать жаропрочностью.
...
Металлы и сплавы в зависимости от условий испытаний или эксплуатации могут разрушаться пластично или хрупко. Хрупкое разрушение деталей машин и конструкций нередко имеет катастрофические последствия. Важным фактором, способствующим переходу от вязкого к хрупкому разрушению, является понижение температуры. Хладноломкость — это склонность металла или сплава к хрупкому разрушению при понижении температуры. Температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому и наоборот называется критиче
...
трения со скольжением, когда на поверхности металла возникают повреждения в виде ямок или питтингов. Разрушение происходит в результате зарождения на поверхности и развития в глубь металла усталостной трещины. Контактная выносливость характеризуется п р е -деломконтактного
...
Металлические детали и конструкции в условиях эксплуатации должны работать достаточно долго и надежно. Для этого необходимо, чтобы они обладали такими важными качествами, как надежность, долговечность, конструкционная прочность.
...
Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени.
...
Долговечность — это способность изделия сохранять работоспо*-собность до предельного состояния, определяемого невозможностью его дальнейшей эксплуатации.
...
Конструкционная прочность — это прочность металла и сплава в конструкции. Она зависит не только от свойств самого материала, но и от характера конструкции, условий ее изготовления и эксплуатации. Для получения высокой конструкционной прочности изделий следует обеспечить высокое сопротивление хрупкому разрушению при сохранении показателей сопротивления пластической деформации. Уровень конструкционной прочности регулируется совокупностью конструкторских и технологических мероприятий.
...
Низкое значение критического скалывающего напряжения позволило предположить, что при сдвиге соседних слоев межатомные силы преодолеваются не одновременно.
...
Модели движения дислокаций. На рис. 2.3 показана схема перемещения атомов при скольжении краевой дислокации. Под действием напряжения т происходит упругое смещение атомов вдоль всей плоскости сдвига. Между оказавшимися сближенными атомами устанавливаются другие связи, вследствие чего лишней оказывается новая полуплоскость, край которой обозначен D. Как видно из рисунка, для перехода дислокации на один параметр кристаллической решетки из положения, обозначенного сплошной линией, в положение, изображенное штрихами, достаточно перемещения атомов в зоне дислокации на расстояние, значительно меньшее межатомного. Роль экстраплоскости в направлении смещения начинает выполнять следующая атомная плоскость. Если при этом напряжение т продолжает действовать, то дислокация по-прежнему будет скользить в направлении 5 и в конце концов выйдет на поверхность кристалла, где образуется ступенью (рис. 2.2), величина которой равна межатомному расстоянию. Краевая дислокация движется в направлении действия напряжения т. На рис. 2.4 показана полоса скольжения в металле.
...
При смещении винтовой дислокации на один параметр решетки влево под действием напряжения т ось дислокации перешла из положения атомов между рядами 4 и 5 в положение 5—6 (рис. 2.5). Атомы в районе дислокации передвинулись на небольшое расстояние. Особенностью СКОЛЬЖеНИЯ ВИНТОВОЙ рис. 2.4. Дислокации в полосе скольже-
...
Дислокации смешанного типа перемещаются также путем скольжения (рис. 2.6). Смешанная дислокация АВ под действием напряжения т скользит таким образом, что зона сдвига, заштрихованная на рис. 2.6, а, расширяется. Участок краевой компоненты вблизи точки В движется в направлении т, участок винтовой компоненты вблизи точки А — в направлении, перпендикулярном к приложенному напряжению. Когда дислокация выйдет на внешнюю поверхность кристалла, произойдет взаимное смещение обеих его частей на параметр решетки, а на поверхности кристалла с двух сторон появятся ступеньки. Если смешанная дислокация не оканчивается на гранях кристалла, а образует внутри него замкнутую петлю, скольжение последней развивается при расширении или сужении ее, в зависимости от того внутри или вне петли находится зона сдвига, возникшего при образовании дислокации.
...
В гл. 3 разд. 1 рассматривалась возможность перехода винтовой или смешанной дислокации из одной плоскости скольжения в другую, пересекающую первую, путем поперечного скольжения. Такого рода перемещение дислокации возможно, если в кристаллической решетке имеются пересекающиеся системы плоскостей скольжения.
...
Смешанная дислокация может совершать поперечное скольжение благодаря наличию винтовых компонент. Например, при движении дислокации в плоскости (111) ГЦК решетки и встрече ее с препятствием участок с винтовой_ ориентацией может соскользнуть на пересекающую плоскость (111), которая является плос^стью поперечного скольжения. Многократно изменяя плоскость скольжения, дислокация осуществляет множественное поперечное скольжение. На рис. 2.6, б показана схема двойного поперечного скольжения дислокационной петли.
...
Краевая дислокация также может переходить из одной плоскости скольжения в другую путем восхождения в результате диффузионного взаимодействия с точечными дефектами (см. рис. 1.12). Восхождение или переползание дислокации не вызвано действием сдвигающих напряжений и наиболее активно происходит при высокой температуре.
...
Как было указано ранее, при встрече и пересечении дислокаций на них возникают ступеньки (пороги). Если порог на краевой дислокации имеет краевую ориентацию, он может скользить вместе с ней. Образование порога с краевой ориентацией на винтовой дислокации тормозит ее движение. В этом случае порог может перемещаться с дислокацией только путем переползания. При быстром скольжении дислокация тянет его за собой, оставляя на пути дорожку вакансий или межузельных атомов, которые рассасываются в результате колебаний. В случае торможения порога возможно его вытягивание с образованием петли, состоящей из двух дислокаций разного знака, находящихся в параллельных плоскостях.
...
В результате деформации первоначально гладкая поверхность монокристалла становится ступенчатой в тех местах, где дислокации выходят на поверхность кристалла. Ступеньки очень малы, поэтому они имеют вид линий, которые называют линиями
...
Условия движения дислокаций. Для начала движения дислокации ей необходимо преодолеть потенциальный барьер АЕ (энергия старта дислокации). Кроме того, касательное сдвигающее напряжение ч должно достичь критической величины. Это напряжение называют напряжением
...
рис. 2.7 показана схема для определения касательного напряжения о. Плоскость скольжения Q расположена по отношению к действующему напряжению под углом срг.
...
скостях скольжения, имеющих наибольшую ретикулярную плотность, и происходит в направлениях, соответствующих наиболее плотной упа
...
ковке атомов. Это объясняется тем, что самой высокой подвижностью обладают дислокации с малым вектором Бюргерса, лежащие в атомных плоскостях, расстояние между которыми наибольшее, а также тем, что для плотно-упакованных плоскостей величина т минимальна. Эти плоскости являются плоскостями легкого
...
Системы и направления скольжения е металлах при различных температурах
...
переползание) и направление перемещения дислокаций не имеют значения для направления движения дисклинации, которое происходит перпендикулярно к вектору Бюргерса дислокаций. Система из двух дисклинации разных знаков может перемещаться в результате взаимодействия с дислокациями. При этом движение одной дисклинации обусловлено испусканием дислокации, а другой — ее Рис. 2.9. Схема торможения дис-
...
где р — плотность дисклинации; со — вектор поворота; Ь — размер кристалла; V — средняя скорость движения дисклинации. Поскольку при движении дисклинации генерируются дислокации, необходимо учитывать и их вклад в развитие деформации.
...
Развитие скольжения в поликристаллах происходит в каждом зерне. Однако значение касательных напряжений, действующих вдоль плоскостей скольжения, в разных зернах неодинаково, так как оно зависит от угла поворота плоскостей скольжения по отношению к внешнему напряжению. Поэтому, если в одном зерне касательные напряжения оказались достаточными для обеспечения работы источника Франка — Рида (обозначен буквой а на рис. 2.9) и движения дислокаций, то в соседнем зерне они могут быть меньшими и не вызвать смещений. В этом случае дислокации, движущиеся в одном зерне в плоскости скольжения, будут остановлены границей зерен.
...
Граница зерен (и блоков) при температурах ниже 0,47"™ является препятствием для движущихся дислокаций, поскольку условия скольжения в соседних зернах (блоках) различны. При температурах деформации выше 0,4Тпл дислокации могут затягиваться границей. Торможение дислокаций у поверхностей раздела приводит к образованию горизонтальных дислокационных группировок, которые названы так потому, что дислокации располагаются в них вдоль плоскости скольжения. Первая дислокация в группировке задержится границей зерен. При приближении к ней следующей дислокации того же знака искажения решетки будут усиливаться и вторая дислокация также остановится. Третья дислокация, натолкнувшись на зону искажений от группы первых двух, затормозится раньше, на расстоянии, большем, чем промежуток между двумя первыми дислокациями. Это будет происходить со всеми последующими дислокациями. Подобное взаимодействие дислокаций, задержанных препятствием, показано на рис. 2.10.
...
Размещение дислокаций в горизонтальных группировках по Мотту таково, что скопление отрицательных краевых дислокаций искривляет решетку в одну сторону, а положительных — в другую. Это вызывает соответствующий изгиб полос скольжения. Число дислокаций одного знака на одной стороне полосы скольжения достигает 1010 см~~2. Вокруг
...
таких группировок дислокаций создается поле больших напряжений, тормозящее движение других дислокаций в этой же и соседних плоскостях скольжения. Суммарное напряжение вокруг горизонтальной группировки, состоящей из п дислокаций, в п раз больше, чем напряжение вокруг единичной дислокации т„-
...
Прорыв дислокаций из одного зерна в другое не всегда возможен. Деформация передается по следующему механизму. Когда дислокации скользят в одном зерне, доходят до границы и останавливаются, в месте торможения сдвига возникают высокие напряжения. Последние инициируют скольжение в соседнем зерне, даже если действующие в этом зерне касательные напряжения еще не достигли величины критического напряжения сдвига.
...
Установлено, что при малых углах разориентировки зерен (менее 5°) деформация передается эстафетно путем непосредственного прорыва дислокаций через границу зерен. При углах разориентировки, больших 5°, этот процесс осуществляется путем инициирования скольжения в соседнем зерне.
...
Неравномерность деформации соседних зерен вызывает смещение центров зерен на разные расстояния. Возникающая при этом несовместимость не приводит к нарушениям сплошности благодаря развитию в приграничных областях аккомодационного
...
Пластическая деформация в приграничных областях происходит в результате относительного перемещения двух зерен по их общей поверхности. Предположим, что в первом зерне скольжение идет в одной плоскости. Для того чтобы не было нарушения сплошности между двумя зернами, деформация во втором зерне должна идти в нескольких плоскостях. При этом вектор сдвига будет разлагаться на составляющие. По условию совместности деформации для сохранения связи между соседними зернами необходимо, чтобы в каждом зерне действовало не менее пяти систем скольжения (правило Мизеса).
...
Движущиеся в плоскостях скольжения дислокации взаимодействуют не только с границами зерен, но и с субграницами. Субграницы наклона или кручения, имеющие дислокационную структуру, могут пересекаться дислокациями с образованием так называемых «слабых мест», из которых дислокации границы будут уходить в кристалл и на соседние субграницы. Обрыв дислокационной стенки есть не что иное, как дисклинация. Прохождение линий скольжения через субграницу разбивает ее на части.
...
При деформации скольжением одновременно со сдвигом части зерен повернутся в направлении растяжения. Такой поворот вызывается тем, что соседние зерна мешают смещающимся частям зерна свободно двигаться в направлении касательного напряжения. В результате зерна примут вытянутую форму.
...
До сих пор мы рассматривали смещение дислокаций внутри кристаллов, т. е. внутризеренноескольжение. Для деформации в условиях высокой температуры большое значение имеет скольжение по границам зерен — межзеренное проскальзывание, которое происходит наряду с внутризеренным скольжением (рис. 2.11). Микроструктура металла после проскальзывания показана на рис. 2.11, а.
...
Механизм деформации по границам зерен может быть различен. Смещение вдоль малоугловых границ, имеющих дислокационную структуру, может происходить путем одновременного передвижения дислокаций, ориентированных соответствующим образом. Такое движение вызовет сдвиг зерен в плоскости границы. Движению дислокаций на границах препятствуют другие дислокации, которые из-за неблагоприятной ориентации не могут скользить по поверхности раздела.
...
Проскальзывание вдоль большеугловых границ гораздо сложнее. Раньше считали, что оно происходит скольжением и переползанием вдоль границы дислокаций решетки, накопленных у границы при внут-ризеренном скольжении. Эти представления не получили экспериментального подтверждения. Если внутризеренные дислокации выйдут на границу, они лишь оставят на ней ступеньку несоответствия, размер которой определяется величиной вектора Бюргерса дислокации.
...
Рис. 2.11. Структура металла после деформации проскальзыванием
...
Механизм межзеренного проскальзывания можно представить следующим образом. На границах зерен имеются дислокации с вектором Бюргерса. не равным вектору Бюргерса дислокаций решетки — зерно-граничные дислокации. Дислокации такого типа скользят вдоль плоскости границы зерна, поэтому проскальзывание по границам осуществляется посредством движения дислокаций границы в плоскости последней. При относительно невысоких напряжениях источники дислокаций на границе зерен (типа источников Франка — Рида) генерируют дислокации границы, которые перемещаются на определенные расстояния вдоль нее. Движение каждой дислокации приводит к сдвигу двух зерен относительно друг друга на вектор Бюргерса этой дислокации.
...
Если граница содержит какое-либо препятствие (ступеньку, включение), зернограничные дислокации нагромождаются перед ним. Дальнейшее проскальзывание оказывается возможным лишь тогда, когда разрушаются скопления дислокаций или растет внешнее напряжение. Скопления зернограничных дислокаций могут быть разрушены в результате испускания (скольжения) дислокаций в соседнее зерно или переползания их через препятствие. Зернограничные дислокации образуют плоские (типа горизонтальных) скопления, узлы и дислокационные петли в плоскости границы зерна точно так же, как дислокации решетки — в плоскостях скольжения.
...
В процессе деформации границы зерен и субзерен могут передвигаться (мигрировать) (рис. 2.11, б).
...
Большеугловые границы более подвижны, чем малоугловые, поскольку содержат повышенное количество вакансий и имеют более дефектную структуру. Большеугловые границы в условиях высоких температур мигрируют по механизму самодиффузии (при переходе атомов от одного зерна к другому), а также в результате переползания зернограничных дислокаций в направлении, перпендикулярном к плоскости границы. Примеси, находящиеся на границе, тормозят ее миграцию, поскольку граница должна увлекать их за собой.
...
Межзеренное проскальзывание тесно связано с миграцией границ, которые благодаря миграции становятся «гибкими» и перестраиваются в нужную ориентировку, что облегчает скольжение зернограничных дислокаций.
...
Двойникование — это такой вид смещения, при котором отдельные области кристалла приобретают новую по отношению к остальной части кристалла ориентировку, т. е. кристаллическая решетка переориентируется вполне закономерным образом (рис. 2.12). Решетка внутри
...
двойникового образования часто является зеркальным отображением решетки остальной части кристалла. На рис. 2.12, а исходное состояние кристалла обозначено /—положение после двойникования 1—2; d—d —
...
Условия двойникования отличаются от условий скольжения. Двой-никование проходит с высокой скоростью и характерным потрескиванием, возникающим при выделении энергии. Двойники зарождаются при напряжениях, обычно более высоких, чем требуется для начала скольжения, когда по каким-либо причинам скольжение тормозится. Это возможно в условиях деформации ударом, взрывом. Двойни-кование наиболее часто наблюдается в металлах с ограниченным числом плоскостей скольжения, особенно если они неблагоприятно ориентированы по отношению
...
действующей нагрузке. Установлено, что двойникование начинается при напряжении, достигающем р/10. Оно происходит при низких температурах или высоких скоростях деформации.
...
обходимы двойникующие дислокации с вектором Бюргерса, значение которого меньше параметра решетки, т. е. частичные дислокации. Двой-никование происходит при движении под действием напряжения специальной двойникующей дислокации СО (рис. 2.12, б), которая представляет собой частичную дислокацию Шокли, связанную с дефектами упаковки в кристаллической решетке. Она является границей дефекта упаковки, отделяющей его от совершенной решетки, и расположена в плоскости дефекта упаковки. Вектор Бюргерса частичной дислокации Шокли находится в плоскости дефекта упаковки, служащей плоскостью скольжения дислокации. Вектор Бюргерса двойникующей частичной дислокации в металлах с ГЦК решеткой равен я/6 [112], а в металлах с ОЦК решеткой — а/6 [111].
...
Двойникующая дислокация перемещается скольжением в кристаллографической плоскости двойникования. Пробег двойникующей дислокации в одной плоскости способствует переходу в двойниковую ориентацию одного слоя атомов. Для образования многослойного двойника
...
Двойниковая область ограничена двумя параллельными линиями — границами. Возможны клиновидная (рис. 2.12, в) и линзообразная формы двойников. Двойник может образоваться и в процессе движения дисклинации. Например, при перемещении части дисклинационной петли вдоль вектора поворота со сместившаяся дуга выпрямляется до прямоугольной конфигурации (рис. 2.12, г). Аналогичное преобразование испытывает и другая часть петли, движущаяся вдоль вектора поворота в противоположном направлении.
...
Ширина образующегося двойника зависит от скорости движения двойникующей дислокации. Сдвиг кристаллической решетки создает большие напряжения. Существует критическая стадия упругого роста двойника, если в этот момент снять нагрузку, двойник захлопнется (исчезнет). Критическая ширина двойника составляет величину порядка 2 • Ю-4 см (это около 100 слоев в двойнике). Двойник растет в две стадии:
...
рацией напряжений, а также тем, что частичные двойникующие дислокации имеют меньший вектор Бюргерса, а значит, и большую силу, действующую на, единицу длины, по сравнению с полными дислокациями. Кроме того, сопротивление (трение) решетки движению двойникующих дислокаций меньше, чем при скольжении полных дислокаций, опять же благодаря различию их векторов Бюргерса. Для роста двойника требуется напряжение ~р/10 000, т. е. в 1000 раз меньшее, чем для его зарождения.
...
Двойники в металлах взаимодействуют между собой и с другими дефектами (рис. 2.13). Они пересекают полосы скольжения (рис. 2.13, а). Если на своем пути двойники встречают препятствия (границы зерен, неметаллические включения), тормозящие их движение, это способствует изменению ширины двойников. В местах торможения двойников на границах зерен и субграницах возникают четкие ступеньки (рис. 2.13, б),
...
Двойники могут взаимодействовать с дислокациями, движущимися в плоскостях скольжения. Дислокации тормозятся у границ двойников, вызывая появление на них ступенек, либо преобразуются в двойникующие дислокации, порождающие новые двойники.
...
принимает вытянутую форму в результате перемещения частей зерна относительно друг друга под действием касательных напряжений и изменения ориентировки кристаллической решетки.
...
В некоторых металлах и сплавах двойники возникают при отжиге после пластической деформации. Двойники отжига легко отличить от двойников деформации: они более широкие. Эти двойники возникают в местах локализации предварительной деформации.
...
В реальных деформированных кристаллах и зернах поликристаллических металлов дислокации распределяются неравномерно, возможен избыток дислокаций одного знака, а значит, и локальная раз-ориентировка, приводящая к появлению сложнодеформированных участков (рис. 2.14). Механизм деформации в таких участках отличен от скольжения и двойникования. К особым случаям деформации относят складкообразование, сброс, вторичное скольжение, диффузионную пластичность.
...
Складкообразование — один из механизмов деформации. В складках, как и в двойниках, кристаллическая решетка повернута относительно остальной части кристалла. Однако в отличие от двойника угол поворота решетки не строго определен и граница складки шире, а ориентация решетки, как правило, не является зеркальной по отношению к решетке остальной части кристалла. Складки образуются в случае совмещения скольжения с изгибом. Складкообразование при деформации показано на рис. 2.14, а.
...
Сброс возникает, когда при растяжении кристаллов, имеющих только одно семейство плоскостей скольжения, окажется, что плоскости скольжения перпендикулярны к оси растяжения, а при сжатии параллельны оси сжатия. В этих случаях деформация происходит в узкой полосе (рис. '2.14, б). Появление сброса связывают с возникновением в параллельных плоскостях скольжения пар дислокаций, перемещающихся в разные стороны.
...
В результате сброса появляется полоса, внутри которой решетка повернута по отношению к остальной части кристалла на определенный угол. Между двумя зонами сильно искаженной решетки имеется учас-
...
ток недеформированного кристалла, отделенный от искаженных участков плоскостями сброса АВ и С£> (рис. 2.15). Внутри полосы сброса появляются следы скольжения. Искривленные области имеют избыток дислокаций одного знака. При сжатии полосы сброса образуются постепенным поворотом решетки. Сбросообразование при сжатии наиболее легко осуществляется, если угол между плоскостью скольжения и осью сжатия находится в интервале (2,5—24)°.
...
Вторичное скольжение является разновидностью деформации скольжением. Оно состоит в появлении на ранних стадиях деформации между
...
Полосы вторичного скольжения обычно встречаются в слабодеформированных крупнозернистых металлах, зерна которых имеют симметричную ориентировку.
...
Диффузионная пластичность наблюдается тогда, когда при приложении внешнего неизотропного напряжения в металле или сплаве возникает градиент концентрации вакансий, следствием которого является диффузионный массоперенос через тело зерен или вдоль границ в зависимости от температуры. Движущиеся внутри зерен точечные дефекты (вакансии) взаимодействуют с границами зерен, являющимися источниками и стоками вакансий. Характер этого взаимодействия неодинаков. Границы, перпендикулярные к приложенному напряжению, испускают вакансии, а параллельные приложенному напряжению или расположенные к нему под некоторым углом — поглощают вакансии. В поле напряжений идет направленный ноток вакансий, навстречу которому движутся атомы, что вызывает перенос массы и пластическое течение металла.
...
Другой механизм диффузионной пластичности характерен для циклического нагружения. При нагрузке вакансии движутся к стокам, образуя кластеры и дислокационные петли в результате захлопывания вакансионных дисков, а также вызывая переползание уже имеющихся и вновь образовавшихся дислокаций. В процессе разгрузки металла возникает недосыщение вакансиями, которые засасываются из источников, главным образом, границ зерен и свободной поверхности. Повторение этих циклов способствует реализации своего рода «ва-кансионного' насоса», вызывающего микропластичность металла.
...
В процессе пластической деформации металл упрочняется (наклёпывается). Например, наклеп железа приводит к повышению его предела прочности в два раза. Дислокационная теория позволяет объяснить развитие деформации и упрочнения металлов.
...
Развитие упрочнения в монокристаллах рассмотрим на примере типичной кривой / напряжение — деформация монокристалла чистого металла, имеющего ГЦК
...
жаться в кристалле, если они встретят на своем пути препятствия. Винтовые дислокации при движении совершают поперечное скольжение, в результате чего возникают пороги (ступеньки), тормозящие их перемещение. Дислокации скапливаются в плоскостях скольжения (рис. 2.17, а, 2.18, а). Средняя плотность дислокации составляет примерно 108 см~2.
...
где х — расстояние между соседними линиями скольжения; /с — длина линии скольжения. При растяжении или сжатии величина 61
...
Множественное скольжение дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения приводит к взаимодействию дислокаций, их пересечению, появлению сидячих дислокаций Ломера — Коттрелла. На дислокациях появляются пороги, тормозящие их движение. Дислокации скапливаются, образуют клубки, в которых они распределены хаотически. Такие дислокации называются дислокациями «леса». Дислокационные клубки преобразуются в устойчивые регулярные сетки (рис. 2.18, б), располагающиеся вдоль направлений скольжения. Эти сетки представляют собой субграницы (стенки ячеек), в которых плотность дислокаций «леса» высока (около 1010 см-2). Они разбивают кристалл па участки, сравнительно свободные от дислокаций. Такая дислокационная структура называется ячеистой.
...

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

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Основы металлографии и пластической деформации стали