Разработка методики идентификации определяющих соотношений для металлов при больших высокотемпературных пластических деформациях

Диссертация выполнена в Институте машиноведения Уральского отделения Российской академии наук
3
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ (ЛИТЕРАТУР!1ЫЙ ОБЗОР) 12
1.1. Принятые допущения для описания деформации металлов 12
1.2. Процессы упрочнения-разупрочнения металлов и сплавов
при пластической деформации в условиях горячей деформации 14
1.3. Модели сопротивления пластической деформации металла
при температурах горячей деформации 28
1.4. Экспериментальные методы исследования сопротивления
металла пластической деформации 42
1.5. Постановка задачи исследования 59
2. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 62
2.1. Конструкция и принцип работы установки 63
2.2. Программы для управления пластометрической установкой и обработки экспериментальных данных 69
2.3. Методика проведения экспериментов на сжатие образцов 76
2.4. Экспериментальные данные сжатия образцов из стали 08Х18Н10Т 84
2.5. Экспериментальные данные сжатия образцов из сплава АМгб 87
2.6. Результаты металлографического исследования механизмов разупрочнения 91 Выводы
3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ 106
3.1. Постановка задачи и методика идентификации модели сопротивления деформации 106
3.2. Программное обеспечение для идентификации модели сопротивления деформации 113
3.3. Результаты идентификации модели сопротивления деформации
3.4. Оценка адекватности реологической модели сопротивления деформации физическим процессам в образце в ходе эксперимента
Выводы
4. РАЗРАБОТКА ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ДИНАМИЧЕСКОЕ ДЕФОРМАЦИОННОЕ СТАРЕНИЕ
4.1. Вязкопластическая модель сопротивления металла высокотемпературной деформации, учитывающая динамическое деформационное старение
4.2. Результаты идентификации модели сопротивления деформации
4.3. Оценка адекватности реологической модели физическим процессам деформации
Выводы
5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
5.1. Методика проведения испытаний
5.2. Экспериментальные данные и результаты идентификации модели сопротивления деформации для стали 15
5.2. Экспериментальные данные и результаты идентификации модели сопротивления деформации для стали 60С2
%
Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение 1. Результаты экспериментов по сжатию образцов Приложение 2. Результаты металлографического исследования образцов Приложение 3. Акт использования результатов НИР
115
136
152
152
156
160
166
167
167
175
183
185
195
224
242
ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена исследованиям в области решения актуальной проблемы механики, связанной с повышением адекватности описания деформации твердых тел при внешних механических воздействиях.
Практический интерес к решению этой проблемы вызван перспективами развития программ для инженерных и технологических расчетов, интегрированных в автоматизированные системы проектирования (САЭ-СЛЕ системы). Это позволяет повысить надежность проектирования и сократить время подготовительной стадии производства за счет оптимизации технологий с использованием их математических моделей. Как показывает- мировая практика, такой подход является эффективным в условиях рыночной экономики, когда развитие конкуренции вынуждает производителей постоянно повышать качество и разнообразие продукции, стремясь при этом к снижению затрат на производство. Применительно к обработке металлов методами высокотемпературной пластической деформации весьма актуальным является разработка определяющих соотношений с реологическими моделями входящих в них внутренних переменных, определяющими функциональную связь сопротивления металлов деформированию с основными механическими параметрами - скоростью и степенью деформации - и одновременно учитывающими структурные изменения в деформируемом металле.
Система уравнений, описывающая деформирование металлов при больших пластических деформациях, состоит из уравнений движения, кинематических соотношений и определяющих соотношений, записанных в скоростной форме. Система уравнений становится замкнутой, когда конкретизированы определяющие соотношения, которые должны учитывать реологию моделируемого металла. При высоких температурах существенное влияние на реологические свойства деформируемых металлов оказывают условия деформации. Если при холодной деформации происходит только упрочнение материала, то при горячей деформации наряду с упрочнением в металле ин-
6
тепсивно проходят процессы разупрочнения. Ответственными за механизмы разупрочнения при горячей деформации в отсутствии фазовых превращений являются процессы динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации. Взаимодействие процессов упрочнения и разупрочнения определяет поведение материала при горячей деформации, отражаясь на изменении напряженно-деформированного состояния.
Ключевую роль в построении определяющих соотношений для конкретных материалов имеет сопротивление деформации, которое определяется как напряжение течения в условиях одноосного напряженного состояния при сжатии или растяжении образцов.
При больших упругопластических деформациях доля упругих деформаций мала, поэтому ими можно пренебречь. С учетом этого для случая одноосного напряженного состояния определяющие соотношения преобразуются к более простому виду и представляют собой модель сопротивления деформации. Тогда задача идентификации определяющих соотношений сводится к задаче идентификации модели сопротивления деформации.
Проблеме изучения реологии металлов и сплавов в условиях горячей деформации посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых, в которых рассматривались как физика протекания реологических процессов, так и её математическое описание.
Исторически описание сопротивления деформации развивалось от статических моделей в форме функции многих переменных [1, 2, 3, 4, 5 и др.] до динамических моделей в виде интегрального уравнения [6, 7, 8] или системы дифференциальных уравнений [9, 10, 11, 12]. Статические модели не учитывают историю процесса деформирования, а значит, не могут точно описать изменение сопротивления деформации при отклонении закона нагружения от того, для которого эта модель была получена. Недостатком моделей, записанных в интегральной форме, является сложность определения ядра интегрального уравнения по экспериментальным данным. Преимущест-
вом дифференциальной формы записи является возможность учитывать вклад отдельных механизмов разупрочнения.
В данной диссертационной работе в качестве базовой была выбрана динамическая модель, предложенная A.B. Коноваловым в работе [12], которая на наш взгляд наиболее полно и физически обоснованно описывает сопротивление деформации с учетом процессов упрочнения и разупрочнения металлов в условиях горячей деформации. Модель справедлива для изотермических условий деформирования, в нее входит функционал напряжения текучести из условия пластичности Мизеса и функция, описывающая вязкие свойства среды.
Экспериментальные данные для идентификации модели сопротивления деформации получали в опытах на сжатие образцов при температурах горячей деформации на пластометрической установке, созданной в лаборатории механики деформаций Института машиноведения УрО РАН.
Базовая модель сопротивления деформации является структурнофеноменологической, в которой предполагается, что основным процессом разупрочнения является динамическая рекристаллизация. В работе [12] адекватность модели была установлена по результатам близости экспериментальных и расчетных данных сопротивления деформации, но в работах [13, 14. 15] отмечается, что вид кривой упрочнения однозначно не определяется типом механизма разупрочнения. Поэтому проверку адекватности модели действующим механизмам разупрочнения необходимо осуществлять с использованием дополнительного металлографического анализа. Кроме того, для повышения точности процедуры идентификации модели требуется решение ряда методических вопросов, связанных с учетом условий проведения экспериментов и обработки их результатов. В частности, необходимо учитывать неоднородность напряженно-деформированного состояния и изменение температуры при испытаниях образцов на сжатие. Актуальным также является расширение круга материалов, на которых должна быть проверена применимость базовой модели, в том числе и для материалов, в которых помимо ди-
8
намической рекристаллизации протекают процессы динамической полигони-зации и динамического деформационного старения.
Таким образом, целью диссертационной работы является разработка методики идентификации определяющих соотношений для металлов при больших высокотемпературных пластических деформациях, учитывающих совокупность упрочняющих и разупрочняющих структурных изменений в деформируемом металле.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Методика идентификации динамических моделей сопротивления деформации, учитывающая вязкие радиальные напряжения и неоднородность напряженно-деформированного состояния при сжатии цилиндрических образцов.
2. Модель сопротивления металла высокотемпературной пластической деформации, учитывающая динамическое деформационное старение.
3. Методика проведения экспериментов, позволяющая фиксировать структуру металла по окончании деформации и регистрировать температуру поверхности образца в процессе испытания па основе использования тепловизион-ного метода исследования.
4. Программное обеспечение для управления пластометрической установкой и обработки экспериментальных данных.
5. Совокупность экспериментальных данных по сопротивлению деформации сталей 08Х18Н10Т, 15, 60С2 и алюминиевого сплава АМгб в различных температурно-скоростных условиях деформирования.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработана новая методика идентификации динамических моделей сопротивления деформации, учитывающая вязкие радиальные напряжения и неоднородность напряженно-деформированного состояния при сжатии цилиндрических образцов, что позволило повысить точность процедуры идентификации определяющих соотношений для описания высокотемпературной деформации.
9
2. Разработана новая вязкопластпческая модель сопротивления металла высокотемпературной пластической деформации, учитывающая динамическое деформационное старение.
3. Получены новые экспериментальные данные по реологии стали 08Х18Н10Т при температурах испытания 950°С и 1150°С, сплава АМгб при температурах испытания 300°С и 400°С, а также стали 15 и 60С2 при температурах испытания 1050°С и 1150°С.
Практическая значимость результатов исследований.
1. Разработано программное обеспечение для управления пластометрической установкой, методика проведения экспериментов на сжатие цилиндрических образцов и обработки их результатов, которые позволяют повысить точность описания сопротивления деформации при высокотемпературных испытаниях.
2. Результаты исследований сопротивления деформации сталей 15 и 60С2 использованы на ОАО «Уральский научно-тсхнологический комплекс» для разработки металлосберегающих технологий изготовления поковок повышенной точности.
Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись в рамках: Программы фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН "Информационно-компьютерные модели исследования фундаментальных проблем неравновесных сред" по проекту "Разработка информационно-компьютерной модели определяющих соотношений металлов при больших высокотемпературных пластических деформациях с учетом динамической рекристаллизации и фазовых переходов"; Программы фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН "Интегрированные модели физической механики" по проекту "Разработка интегрированных моделей реологии металлов при больших высокотемпературных пластических деформациях"; по планам научно-исследовательских работ Института машиноведения УрО РАИ на 2005 - 2008 гг.; договора № 34/2008
10
«Проведение анализа номенклатуры поковок, выпускаемых кузнечным цехом УВЗ, с разработкой металлосберегающих технологий изготовления поковок повышенной точности (Т2 - ТЗ ГОСТ 7505-89)».
Достоверность основных научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена применением научно обоснованных положении теории определяющих соотношений в механике твердого деформированного тела и современных представлений о механизмах пластической деформации, а также известных методов теории идентификации динамических процессов, численного решения задач механики деформируемого твердого тела и современных методов металлографического исследования структуры металлов.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 3 приложений.
В первой главе выполнен литературный обзор и анализ по вопросам исследования.
Вторая глава посвящена описанию пластометрической установки, использованных и разработанных методик проведения испытаний, а также результатам экспериментальных исследований, полученных с их помощью.
В третьей главе разработана новая методика идентификации базовой модели сопротивления деформации по результатам испытаний на сжатие, учитывающая влияние радиальных вязких напряжений и неоднородного напряженно-деформированного состояния цилиндрических образцов в условиях действия сил трения на контактных поверхностях.
Четвертая глава посвящена разработке новой вязко пластической модели сопротивления деформации при высоких температурах, учитывающей динамическое деформационное старение.
В пятой главе описаны результаты испытания стали 15 и 60С2 при температурах 1050°С и 1150°С, предназначенные для разработки металлосберегающих технологий изготовления поковок повышенной точности при рекон-
струкции кузнечного цеха на производственном объединении “Уралвагоза-вод” (г. Нижний Тагил).
В заключении сформулированы основные выводы по результатам работы.
В приложениях приведены результаты экспериментов по сжатию образцов, результаты металлографического исследования образцов и документы, подтверждающие практическое использование результатов работы.
12
1. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
1Л. Принятые допущения для описания деформации металлов
Металлы и сплавы при больших пластических деформациях, имеющих место при обработке металлов давлением, проявляют упругие, пластические и вязкие свойства [16, 17, 18]. В процессе пластической деформации плотность металлов изменяется незначительно, и её изменением можно пренебречь [17]. Ограничимся движением среды с малыми ускорениями и будем рассматривать квазисгатические деформации. Пренебрежем влиянием массовых сил и изменением температуры. В силу вышеизложенных допущений система уравнений, описывающая деформирование металлов при больших высокотемпературных деформациях, в момент времени / имеет вид [18, 19, 20,21,22]:
У-а = 0,
0 = 0,5(У\' + Ууг))
а* (0 = а {0(т), о(х), х, (т)), 0 < / < х,
где а - тензор напряжения Коши; О - тензор скоростей деформаций; V -оператор Гамильтона; Уу - градиент скорости перемещений, значок Г означает транспонирование; X/ ~ параметры физико-химических свойств материала. Точкой обозначено скалярное произведение тензоров, символом «*» обозначена коротационная производная тензора.
На основе экспериментальных данных при больших пластических деформациях [17] принимается модельное допущение, что связь между упругими деформациями и напряжениями описывается законом Гука [22, 23, 24].
Примем за критерий начала пластической деформации условие пластического течения Мизеса (1913 г), согласно которому упругая деформация пе-
13
реходит б пластическую, когда второй инвариант дсвиатора тензора напряжений достигает критической величины /с, называемой напряжением текучести [16, 18, 20, 22, 25]:
£-ч<>=2£2. (1.1)
Здесь двумя точками обозначено двойное скалярное произведение тензоров.
В работах [21, 24] отмечается, что самой сложной проблемой для расчетов с помощью разного типа определяющих соотношений является подбор закона, который бы адекватно отражал реологию металлов. Данную задачу можно решить методом экспериментального исследования, в котором необходимо создать такое напряженно-деформированное состояние, чтобы, используя внешние измерения, можно было бы определить инвариантные характеристики, входящие в физические уравнения связи в определяющих соотношениях. Используя гипотезу о макроскопической определимости, допускают, что испытания на растяжение или сжатие образцов удовлетворяют условию однородности напряженно-деформированного состояния в процессе нагружения, в котором реализуется одноосное напряженное состояние [18, 26]. В результате этого, инварианты, входящие в систему физических уравнений, преобразуются к простому виду.
Под сопротивлением деформации о, понимается напряжение, возникающее в испытаниях на сжатие или растяжение образцов в предположении одноосного напряженного состояния при заданных термомеханических параметрах [18, 27, 28, 29, 30]. Величина СЛ. зависит от химического состава
металла, его температуры, степени, скорости деформации и истории нагружения. Сопротивление деформации является величиной комплексной, в которую могут входить помимо напряжений, обусловленных упругопластическими деформациями, также составляющие вязких напряжений. Например, для упруговязкопластической среды и критерия текучести Мизеса (1.1) сопротивление деформации вычисляется согласно [12, 31] как
14
а5=-/ЗД: + ау, (1.2)
где ау - вязкая составляющая напряжения деформирования.
В работах [12, 32, 33, 34] показано, что для хорошего соответствия экспериментальных и расчетных данных по описанию реологического поведения метаплов необходимо использовать модели, учитывающие структурные изменения в процессе деформации. Таким образом, можно сделать вывод, что модели должны быть составлены с учетом основных физических процессов, влияющих на изменение напряжения деформирования в ходе нагружения.
1.2. Процессы упрочнения-разупрочнения металлов и сплавов при
пластической деформации в условиях горячей деформации
В зависимости от проходящих структурных изменений в процессе деформации температуру протекания пластической деформации условно разделяют на три интервала: холодная, теплая и горячая деформация. Во всех температурных интервалах происходят конкурирующие процессы, связанные с упрочнением и разупрочнением, которые отражаются на изменении сопротивления деформации ал..
На рис. 1.1 приведена диаграмма деформации в координатах сопротивление деформации а5- степень деформации £ с характерными кривыми, соответствующими трем температурным интервалам деформации [1]. Кривые типа 1 обычно соотносят с холодной деформацией. У металлов, упрочняющихся по кривой типа 2, интенсивно происходят процессы разупрочнения, связанные с динамическим возвратом и полигонизацией. Кривым типа 3 и 4 приписывают разупрочнение, протекающее за счет динамической рекристаллизации.
15
Рис. 1.1. Изменение сопротивления деформации ст^ металлов и сплавов от степени деформации £ при различных температурно-скоростных условиях деформации
Деформационное упрочнение металлов
Основными механизмами пластической деформации являются скольжение, двойникованис, относительное перемещение самих зерен [14, 15, 30, 35, 36, 37].
Существует ряд теорий деформационного упрочнения металлов и сплавов, однако до сих пор пи одна из этих теорий не получила всеобщего признания [14, 15, 36, 37]. Существующие гипотезы и модели деформационного упрочнения основаны главным образом на теории Тейлора, по которой основной вид деформации при пластическом течении металла определяется дислокационным механизмом. По этой теории сопротивление деформации а, определяется напряжениями, которые препятствуют движению дислокаций. Дислокации, задерживаясь в кристаллах, постепенно создают внутренние напряжения. При этом образуются дислокационные стенки и скопления, повышается сопротивление деформации данного материала.
16
В работах [36, 37] делается обзор моделей упрочнения, основанных на дислокационных теориях:
- взаимодействия между отдельными дислокациями (модель Тейлора);
- взаимодействия полей близкодействующих напряжений (модель Гилмана, Хирша);
- дальподействующего взаимодействия дислокационных петель (модель Зегера);
- взаимодействия дислокационных комплексов или напряжений, создаваемых скоплением дислокаций (модель Мотта);
- пересечения дислокаций с дислокационными сплетениями (модель Кульмана-Вильсдорфа).
Помимо повышения плотности дислокаций в процессе пластической деформации происходит увеличение их кривизны, образуются точечные дефекты и барьеры Ломера-Котрелла, фрагменты и пересечения, ступеньки на дислокациях, узлы и другие сложные построения [14, 15, 30, 35, 36, 37]. С развитием деформации начинают также действовать дислокационные источники типа Франка-Рида, которые регенерируют дислокации. Скопление дислокаций у препятствий, а также образование порогов при их перерезании приводят к повышению плотности заблокированных дислокаций и увеличению внутреннего напряжения.
Упрочнение металлов приводит к изменению структуры, механических и физико-химических свойств: изменяется форма и ориентировка зерен, образуются полосы деформации, повышается химическая активность и электросопротивление металла [14, 15]. С упрочнением повышается уровень внутренней энергии в металле, а следовательно, и склонность упрочненного материала к процессам разупрочнения при нагреве.
При пластической деформации реальных металлов и сплавов наблюдается сложный характер напряженного состояния в отдельных зернах и фазовых составляющих, что приводит к большому многообразию механизмов
17
деформирования и, как следствие, упрочнения. Часто встречающимися механизмами упрочнения реальных металлов и сплавов, согласно работам [14, 15], являются:
- непосредственно дислокационное упрочнение;
- упрочнение на границах зерен (барьерное упрочнение);
- упрочнение в результате фазового превращения;
- упрочнение в результате выделения частиц второй фазы.
В работе [15] отмечено, что на начальной стадии пластической деформации в поликристаллах проявляются макронеоднородности распределения ■ деформаций по объему металла, происходит формирование ячеистой структуры, препятствующей скольжению дислокаций. С ростом деформации дислокации перераспределяются из-за общего повышения их плотности с созданием стенок, разбивающих поликристалл на объемы ячеистой структуры.
Особенности формирования ячеистых дислокационных структур зависят от условий деформации, среди которых определяющими является температура, степень и скорость деформации, а также схема напряженного состояния. Повышение температуры способствует формированию более равномерной ячеистой структуры с достаточно высокой (3-4°) разориентацией ячеек [14].
Горячая деформация сопровождается не только интенсивной перестройкой всей дислокационной структуры поликристаллов и повышением её устойчивости, но и миграцией границ зерен и субзерен, связанной с развитием в металле разупрочняющих процессов. Поэтому при повышении температуры деформации изменяется характер кривых упрочнения деформируемых металлов [13, 14, 35].
В начальной стадии горячей деформации плотность дислокаций повышается, а затем снижается вследствие прохождения в металле процессов динамического разупрочнения. Процессы упрочнения и разупрочнения в металле при горячей деформации поликристаллов проходят одновременно, скорость их протекания существенно и по-разному зависит от таких факторов,
18
как дефект упаковки, температура, степень и скорость деформации, закон нагружения, исходный структурный и фазовый состав и др. [1, 13, 14, 15, 35].
Динамическое деформационное старение
При определенных температурно-скоростных условиях деформации обеспечивается динамическое блокирование дислокаций примесными атомами и включениями [38, 39]. Возросшая в результате повышения температуры диффузионная подвижность атомов примесей способствует быстрой миграции их в неоднородное поле напряжений вокруг свободных дислокаций и приводит к динамической блокировке. В связи с этим скорость перемещения дислокаций быстро замедляется, и происходит рост напряжения деформирования до уровня, достаточного для генерации новых подвижных дислокаций. Как только под действием возросших напряжений появляются подвижные дислокации, напряжение деформирования падает, так как для поддержания движения свободных дислокаций требуется меньшее напряжение, чем для их возникновения. Однако новые подвижные дислокации остаются свободными непродолжительное время, они тоже блокируются примесными атомами и напряжение деформирования снова повышается. По мере развития деформации и увеличения плотности дислокаций наряду с механизмом динамической блокировки дислокаций примесными атомами начинает работать механизм самоблокировки дислокаций в узлах дислокационных сеток и дислокационными скоплениями ранее заблокированных дислокаций. Дальнейшая деформация сплава развивается за счет поочередно протекающих процессов генерации дислокаций и их блокировки, так как практически все или почти все ранее заблокированные дислокации не раскрепляются при продолжающейся деформации.
В работе [39] отмечается, что в основном блокирование дислокаций происходит при помощи примесных атомов. Согласно той же работе ряд исследователей обнаружил, что в процессе деформации при протекании дина-
19
мического деформационного старения может происходить выделение включений, которые также участвуют в блокировании свободных дислокаций.
В процессе деформации дислокации не только непрерывно зарождаются, но и непрерывно аннигилируют при столкновении дислокаций с противоположными векторами Бюргерса. Поскольку в области температур динамического деформационного старения дислокации блокируются в процессе деформации, то вероятность столкновения и аннигиляции их меньше, чем при температурах деформации, при которых нет динамического деформационного старения. Следовательно, повышению общей плотности дислокаций при динамическом деформационном старении способствует в известной мерс уменьшение скорости аннигиляции дислокаций в результате их блокировки.
При температурах ниже температуры динамического деформационного старения критическая скорость движения дислокаций больше критической скорости диффузии примесных атомов, в результате динамического взаимодействия между ними не происходит, п полосы скольжения распространяются беспрепятственно. При температурах выше температуры динамического деформационного старения диффузионная подвижность примесных атомов внедрения столь значительна, что они не оказывают существенного сопротивления движению дислокаций и полосы скольжения развиваются монотонно [38, 39].
Механизмы разупрочнения металлов при горячей деформации
Динамическое разупрочнение при горячей деформации связано с целым рядом сложных взаимосвязанных процессов [13, 14, 15, 27, 35, 40, 41], а именно:
- динамический возврат, полигонизация и динамическая рекристаллизация, которые вносят основной вклад в процесс разупрочнения при горячей деформации;
20
- проявление локализации деформации и теплового эффекта пластической деформации;
- изменение в процессе деформации ориентировки плоскостей скольжения на более благоприятные.
Динамический возврат
Термин динамический возврат был принят для обозначения частичного разупрочнения при деформации, вызванного скольжением дислокаций [14, 15]. Данный процесс является самым низкотемпературным, протекает при температурах холодной деформации и проявляется снижением скорости упрочнения. Динамический возврат протекает тем легче, чем легче осуществляется термически активируемый процесс скольжения, а следовательно, чем больше энергия дефектов упаковки и соответственно меньше ширина расщепленных дислокаций и чем выше температура деформации [41].
Поперечное скольжение тормозится высокодисперсными частицами вторых фаз и полями упругих напряжений, создаваемыми ими в решетке матрицы. Поэтому в гетерофазных и стареющих сплавах, состаренных перед деформацией, динамический возврат затруднен и тем сильнее, чем дисперс-нее выделившаяся фаза и выше напряжения, создаваемые ею [38].
Динамическая полисонизация
При поперечном скольжении винтовых дислокаций усиливается взаимодействие дислокаций, движущихся в разных системах скольжения. Образуется дислокационная ячеистая структура, в которой дислокационными сплетениями являются стенки ячеек областей с малой плотностью дислокаций. Чем больше энергия дефектов упаковки и выше температура деформации, тем меньше толщина стенок ячеек. С повышением температуры деформации возникают условия для переползания дислокаций, трехмерные стенки «сплющиваются» до двухмерных субграниц, и наступает полигон!шционная стадия динамического возврата. Б работе [14] эта стадия называется «динамической
21
полигонизацией», а в зарубежной литературе [42, 43, 44] чаще используется термин «динамический возврат» как совокупность процессов собственно возврата и полигонизации.
Считается общепринятым, что протеканию динамической полигониза-ции соответствует тип диаграммы горячей деформации сг — 8 без выраженного максимума или «пика» напряжения деформирования (см. рис. 1.1, кр. 2) [15, 45]. Авторы работ [13, 14] отмечают, что на самом деле можно лишь говорить о вероятности такого соответствия. Так например, при сжатии аусте-
нитной стали 08Х18Н12Т в диапазоне температур 800...1200°С и скоростей —3 |
деформации 10 ... 5 с «пик» на диаграммах деформации не наблюдался, а механизм разупрочнения на установившейся стадии изменялся при повышении температуры деформации от динамической полигонизации до динамической рекристаз л изации [13]. При аналогичных испытаниях в схожих условиях ферритной стали 08X18Т1 механизм разупрочнения изменялся при нагреве подобным образом, а тип зависимости а - 8 изменялся от диаграммы с «пиком» при низких температурах до диаграммы без пика при высоких температурах [13].
На начальной стадии деформации (см. рис 1.1, кр. 2) напряжение течения возрастает из-за генерирования дислокаций и их взаимодействия. При увеличении деформации образуются субзерна с малоугловыми границами. При достижении напряжения, соответствующего установившейся стадии деформации, плотность дислокаций, средний размер и равноосность субзерен остаются постоянными. Равноосность субзерна сохраняется за счет протекания процесса «реполигонизации», означающего многократную повторную полигонизацию, состоящую в рассыпании субзеренных границ и новом их формировании. Под действием напряжения разные малоугловые границы двигаются в различных направлениях, происходит частичная аннигиляция дислокаций в субграницах и взаимодействие субграниц в тройных стыках
22
[14]. Не смотря на то, что средние параметры субзеренной структуры сохраняются приблизительно постоянными, тем не менее нельзя говорить об истинной установившейся стадии микроструктуры, так как исходные зерна постоянно вытягиваются в направлении течения в соответствии со степенью деформации [14].
Динамическая рекристалл изация
Под динамической рекристаллизацией понимают процессы рекристаллизации, совершающиеся в ходе пластической деформации [13, 14, 15, 35, 41, 45]. Для её начала необходимы следующие условия: достаточно высокая плотность дислокаций и высокая температура [13, 15, 35].
Выделяют несколько механизмов зарождения и протекания динамической рекристаллизации. Зарождение часто идет по границам исходных деформированных зерен (механизм Бейли-Хирша) [14, 35]. Из-за градиента плотности дислокаций по обе стороны от границы зерен во время деформации возникают «выступы», или «языки», которые при определенных обстоятельствах могут стать зародышами рекристаллизации. Как правило, такой процесс зарождения характерен для материалов с невысокой энергией упаковки. Это такие металлы как никель, медь, стали в аустетштом состоянии и др.
Для материалов с высокой энергией дефектов упаковки (алюминий и его сплавы, ферритные и аустенитно-феррптные стали и др.) высока вероятность внутризеренного зарождения по механизму Кана-Бюргерса через объединение (коалесценцию) субзерен [14]. Субзерна коалесцируют тем вероятнее, чем больше их размеры и угол разориентации. Когда разориентировка достигает значения ~15°, субзерно становится зародышем рекристаллизации. При продолжающейся пластической деформации коалесцирующие субзерна подвергаются деформации, и внутри них происходит динамическая полпгониза-ция. В результате чего возникают комплексы субзерсн с разориентировкой