Деформационное упрочнение металлической конструкции

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 9Следующая ⇒

Пластическая деформация осуществляется за счет подвижных дислокаций при условии, что деформирующее напряжение превысит напряжение трения. Другими словами, дислокация будет двигаться в кристалле и вносить вклад в пластическую деформацию, если внешняя сила, действующая на дислокацию, превзойдет силу сопротивления ее движению, обусловленную взаимодействием этой дислокации с кристаллической решеткой и присутствующими в металле структурными дефектами. С энергетической точки зрения данный процесс можно представить как преодоление дислокацией потенциальных барьеров разной высоты, если у дислокации для этого достаточно энергии. Поэтому для обеспечения возможности движения дислокаций необходимо повышать приложенное напряжение и после достижения физического предела текучести, при котором начинается движение дислокаций.

Если снять нагрузку в пластически деформированном кристалле и начать его нагружать повторно, то на этот раз пластическое течение начинается при большем напряжении. Это фундаментальное свойство металлов называют деформационным упрочнением или наклепом. Количественной мерой его является коэффициент упрочнения, равный тангенсу угла наклона диаграммы напряжение — деформация. Следует учитывать, что это может привести к повышению предела огнестойкости, если не будет хрупкого разрушения [23]. Развитие пластической деформации может привести к наклепу и, тем самым, повысить критическую температуру.

Явление наклепа известно очень давно. Однако микромеханика этого процесса стала в значительной мере понятна лишь в последнее время в основном благодаря успешному развитию теории дислокаций [31].

Сопротивление началу пластической деформации и деформационное упрочнение зависит от многих факторов и по-разному происходит в монокристаллах и поликристаллах [26].

Схему начального развития пластической деформации и деформационного упрочнения в монокристаллах представим с помощью обобщенной диаграммы напряжение — деформация, приведенной на рис. 2.9. На этой кривой, которая может претерпевать существенные изменения в различных конкретных случаях, можно выделить три стадии после области упругой деформации ОМ (на рис. 2.9 они отмечены областями 1-3).

Рис. 2.9. Обобщенная диаграмма деформации монокристаллов

Первая стадия пластической деформации протекает без упрочнения или с незначительным упрочнением. Она характеризуется действием только одной системы скольжения. Такое простое скольжение называется ламинарным или легким (из-за малого коэффициента упрочнения).

Вторая стадия сопровождается сильным деформационным упрочнением. Здесь уже начинают действовать другие системы скольжения, и такое течение называют множественным или турбулентным. На третьей стадии снижается коэффициент упрочнения, хотя течение продолжает оставаться множественным.

Рассмотрим физические процессы, развивающиеся на разных стадиях пластической деформации.

Ламинарное течение обеспечивается действием источников Франка—Рида. Легко подсчитать необходимую длину источника, начинающего работать при достижении предела текучести. Подставляя в формулу (1.28) значения t_кр = (10^-4 – 10^-5)G, соответствующие реальным значениям предела текучести, получаем для длины источника l размер 10^-5 – 10^-6 м. Это соответствует длине свободного участка дислокации трехмерной сетки в реальном кристалле [27].

Под действием напряжения, превышающего критическое касательное напряжение источника Франка—Рида, дислокационная петля будет расширяться и достигнет поверхности кристалла. Если угол между вектором Бюргерса и нормалью к поверхности не будет равен p/2, образуется ступенька. Распространению петель от источника при ламинарном течении оказывается весьма незначительное сопротивление. Такой источник может испустить большое число петель (до нескольких тысяч). Соответственно длина ступеньки, образующейся на поверхности кристалла, равна элементарному сдвигу на число вышедших дислокаций n.

Действие источника Франка—Рида приводит к образованию ступеньки, которая ясно видна на поверхности как линия скольжения. Ламинарное течение характеризуется длинными линиями скольжения. Наличие таких линий является непосредственным доказательством того, что скольжение происходит только по вполне определенным кристаллографическим плоскостям. При увеличении деформации растет и количество линий скольжения.

Незначительное упрочнение, наблюдающееся при легком скольжении, связано с уменьшением среднего расстояния между дислокациями и с взаимодействием вновь образующихся дислокаций с уже имеющимися, которые могут формироваться в устойчивые конфигурации (диполи*, дислокационные стенки) и препятствовать движению дислокационных петель. В результате в конце этой стадии вблизи препятствий происходит образование плоских скоплений дислокаций.

Начало второй стадии характеризуется включением в процесс пластической деформации вторичных систем скольжения, имеющих

меньший фактор Шмида и требующих поэтому больших напряжений для скольжения. При этом происходит пересечение дислокаций, приводящее к образованию неподвижных дислокаций и порогов на дислокациях, препятствующих их движению. Наиболее эффективными барьерами, дающими наибольший вклад в упрочнения, являются плоские скопления дислокаций у различных препятствий. Таким препятствием может служить, например, барьер Ломер— Коттрелла или граница зерна в поликристалле.

Напряжение, с которым скопление из n дислокаций действует на остановившее его препятствие,

(2.8)

где L — протяженность скопления, т. е. кратчайшее расстояние в плоскости скольжения между первой и n-й дислокациями; b — вектор Бюргерса; t_вн — приведенное к плоскости скольжения внешнее напряжение.

__________________________________________________________________

*Диполем называются две параллельные, расположенные одна под другой, дислокации с противоположно направленными векторами Бюргерса. Такое объединение дислокаций очень устойчиво, так как они притягиваются, но аннигилировать не могут из-за несовпадения плоскостей скольжения.

На больших расстояниях от скопления в плоскости скольжения (х³ 2L) такое скопление действует аналогично одной дислокации с вектором Бюргерса nb, которая расположена на месте головной дислокации. Оно создает тормозящее напряжение которое приводит к упрочнению на второй стадии.

(29)

Пороги, образующиеся при пересечении дислокаций вследствие работы вторичных систем скольжения, также оказывают упрочняющее влияние. Оно связано с тем, что при движении дислокации с порогом образуется ряд вакансий, так как перемещение порога это, по существу, неконсервативное движение участка дислокации. Тормозящее напряжение движению дислокации с порогом [32, 33]

(2.10)

где Wg — энергия образования вакансий; b — вектор Бюргерса; у — расстояние, на которое перемещается дислокация за время образования дефекта; l — длина дислокации.

Упрочняющее действие такого механизма сильно зависит от температуры. При высоких температурах интенсивно развивается диффузия и неконсервативное движение осуществляется легко. Поэтому упрочняющее действие порогов на дислокациях эффективно проявляется при низких температурах.

На третьей стадии деформационной кривой отмечается снижение коэффициента упрочнения. Характерным для этой стадии является развитие поперечного скольжения дислокаций. Снижение упрочнения на третьей стадии объясняется несколькими причинами. Во-первых, на этой стадии очень эффективно развиваются процессы аннигиляции дислокаций, вследствие чего уменьшается количество препятствий для движения оставшихся дислокаций и облегчается их перемещение. Во-вторых, при поперечном скольжении дислокации обходят препятствия, что также вызывает снижение наклона деформационной кривой. Кроме того, на этой стадии напряжения столь велики, что становятся подвижными дислокации, у которых при меньших напряжениях не хватало энергии для преодоления препятствий. Данные дислокации вносят свой вклад в деформацию. В результате все названные процессы снижают коэффициент упрочнения. Уменьшение интенсивности упрочнения на этой стадии получило название динамического возврата (см. гл. 4).

Третья стадия начинается при тем меньших напряжениях, чем выше температура. Это объясняется тем, что поперечное скольжение является термически активируемым процессом. При низких температурах вторая стадия может растянуться до очень высоких напряжений (~G/50). Для огнестойкости НМК, как правило, актуальными оказываются процессы разупрочнения на третьей стадии. Поэтому всегда для пожарной безопасности целесообразно наступление третьей стадии при максимально возможной по величине температуре.

Температура оказывает большое влияние на характер процессов при пластической деформации. Если температура отлична от абсолютного нуля, дислокации в преодолении барьеров будут помогать тепловые флуктуации, т. е. к энергии внешнего силового поля добавляется кинетическая энергия тепловых колебаний атомов дислокации. В таком случае деформирующее напряжение t можно представить как сумму температурно зависимой (t_s) и температурно не зависимой (t_Д) составляющих:

t = t_s + t_Д(2.11)

Барьеры, создающие большие напряжения, не могут быть преодолены с помощью тепловых флуктуации. Такие напряжения называют дальнодействующими. Для их преодоления необходимо напряжение t_Д. Малые барьеры, преодолеваемые с помощью тепловых флуктуации, создают близкодействующие напряжения. Им соответствует температурно зависимая часть деформирующего напряжения t_s. В процессе пластической деформации потенциальный спектр барьеров меняется. Это связано с ростом плотности дислокаций при увеличении степени деформации. На второй стадии для поддержания даже постоянной скорости деформации необходимо большое число дислокаций, так как из-за увеличения количества препятствий их движению средняя скорость перемещения падает — см. формулу (2.7).

Считается, что близкодействующими барьерами в чистых металлах, ответственными за часть напряжения течения t_s, являются дислокации «леса». Под дислокациями «леса» подразумеваются дислокации во вторичных плоскостях скольжения, пересекающих действующие первичные плоскости скольжения. Аналогия с лесом тут не случайна. Действительно, дислокации, движущейся в действующей плоскости скольжения, приходится пробиваться сквозь «деревья» пересекающих плоскость скольжения дислокаций.

К дальнодействующим барьерам относят скопления дислокаций в плоскости скольжения. Переход ко второй стадии, особенно в ГЦК-кристаллах, связывается с активизацией вторичных («лесных») систем скольжения. При этом дислокации в первичной плоскости скольжения взаимодействуют с «лесными» дислокациями. В результате такого взаимодействия образуются стопоры типа «сидячих» дислокаций. Эти стопоры могут являться центрами образования плоских скоплений дислокаций и тем самым способствовать упрочнению. Таким образом, дислокации «леса» выступают как своеобразный катализатор процесса формирования плоских скоплений, которые уже сильно влияют на упрочнение. Вклад же самих дислокаций «леса» в сопротивление деформированию, по теоретическим оценкам, не более 20 %.

В устойчивой группе плоского скопления число дислокаций не превышает n »25. Большие напряжения в области передней (головной) дислокации могут уменьшаться (релаксировать) за счет увеличения плотности «лесных» дислокаций, т. е. под действием этих напряжений начинают работать источники Франка—Рида во вторичных («лесных») плоскостях и плотность «лесных» дислокаций возрастет. Многочисленные экспериментальные данные подтверждают, что дальнодействующее поле в основном связано с плоскими скоплениями дислокаций. Однако при значительном возрастании плотности дислокаций «леса» их вклад в t_Д также следует учитывать.

В процессе деформирования отмечается появление трехмерной сетки дислокаций, которая в отличие от исходной трехмерной сетки имеет очень малые свободные участки l между узлами. При больших степенях деформации образуется так называемая ячеистая структура. Формирование ячеистой структуры вызвано группировкой дислокаций в объемные сетки, являющиеся границами отдельных ячеек. Внутри ячеек металл содержит сравнительно небольшое количество дислокаций. В границах плотность дислокаций очень высока.

Размер ячеек колеблется от десятых долей до нескольких микрометров. Толщина стенок составляет десятые доли размера самой ячейки (0, 1—-0, 2 мкм). С понижением температуры склонность к образованию ячеек уменьшается и ниже определенной температуры они могут не обнаруживаться. Например, в железе при 300К ячеистая структура образуется, а при 77 К при той же деформации не обнаруживается. Для всех температур образование ячеек начинается с появления порогов на дислокациях, переплетения дислокаций и заканчивается образованием сложных границ. При пластической деформации наряду с ростом плотности дислокаций наблюдается также увеличение концентрации точечных дефектов. Образование вакансий и межузельных атомов при пластической деформации может идти двумя путями: во-первых, за счет, неконсервативного перемещения дислокации с порогом и, во-вторых, за счет аннигиляции краевых дислокаций, лежащих в близких параллельных плоскостях скольжения. Второй путь реализуется чаще, чем первый.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 Следующая ⇒