- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................5
1. Структура, прочность и пластичность поликристадлических материалов.................................10
1.1 Основные положения структурной многоуровневой
теории прочности и пластичности........................10
1.1.1 Современные проблемы Физики прочности и
пластичности поликристаллических материалов............10
1.1.2 Дислокационные принципы рационального проектирования материала.......................................24
1.2 Проблемы адекватности характеристик механических свойств материала и изделия.......................40
1.3 Выводы...........................................‘......47
2. Исследование кинетики пластических деформаций
в поликристаллах.......................................49
2.1 Исследование корреляционных связей между
механическими свойствами и условиями испытания.........51
2.2 Экспериментальное исследование волновой
природы пластической деформации........................58
2.3 Анализ развития пластических деформаций методом
статистического моделирования..........................80
2.3.1 0 законах распределения микродеформаций
поликристаллов.........................................83
2.3.2 Моделирование кинетики пластических деформаций
марковскими цепями.....................................91
2.4 Процессы самоорганизации и устойчивости диссипативных структур в деформируемых поликристаллах-----------------95
2. 4.1 Экспериментальное исследование кинетики пластической деформации методом фазовых диаграмм...................97
- з -
2.4.2 Анализ нелинейной модели развития пластических
деформаций..............................................108
2.5 Выводы................................................. 117
3. Технологические основы проектирования и
производства материалов с заданными свойствами методом термоциклической обработки......................121
3.1 Общая характеристика технологических процессов
термоциклической обработки..............................121
3.2 Разработка и исследование режимов
термоциклической обработки..............................146
3.3 Исследование Факторов, определяющих
эффективность ИЮ........................................202
3. 4 Выводы...................................................218
4. Физические основы направленного изменения
свойств металлических сплавов...........................221
4.1 Морфология, структура и кинетические параметры
фазовых превращений при термоциклической обработке...............................................221
4.2 Оценка сопротивления разрушению
термообработанных материалов............................252
4.2.1 Оценка механических свойств стали 35ХСН2МА
по структурным данным...................................253
4.2.2 Оценка вязкости разрушения и трещиностойкости............257
4.3 Выводы...................................................270
5. Особенности развития пластических деформаций в
материалах после термоциклирования......................274
6. Основные выводы..........................................284
- 4 -
Приложение I
Расчет кривых скоростей деформации на
макроуровне для образцов 8 и 2..........................287
Приложение II
Расчет периодограмм для образца с максимальной
пластичностью...........................................289
Расчетные биспектры для образцов 5 и......................6...................293
Приложение 111
Расчет фундаментальных матриц для образца 5.............294
Пример тестового анализа на отсутствие
тренда для образца 1....................................295
Автокорреляционные Функции для образца 2
с максимальной прочностью...............................297
Автокорреляционные функции для образца 5
с максимальной пластичностью............................298
Приложение IV
Фазовые диаграммы для образцов 6,5 и 2............299
Дитература...............................................335
- 5 -
Введение
В пределах общей задачи физики и механики материалов, технологии их обработки и инженерного материаловедения ряд научно-технических проблем, несмотря на существенный прогресс в их разработке, остаются важными и актуальными. Одна из главных задач очень емко характеризуется выражением desin alloy - проектирование сплавов, что отражает современную тенденцию науки и техники разрабатывать и применять материалы с заданными свойствами и для определенной сферы.
Комплексные фундаментальные исследования отечественных и зарубежных ученых Бетехтина В. И., Владимирова В. И., Журкова С. Н., Ивановой В. С., Козлова 3. В., Лихачева В.А., Малинина В.Г., Орлова А. Н., Панина В.Е., Романова А.Е., Griffith А.А., Налus I., McClintock F.A., Orowan E., Petch N. I., Ritchie R показывают, что
решение обсуждаемой проблемы необходимо искать в применении
концептуальных подходов физики и механики прочности в инженерном
материаловедении и разработки на этой основе таких новых технологических воздействий на материал, которые позволили бы максимально сблизить расчетные и эмпирические характеристики прочности. пластичности и разрушения.
При этом, если мы отвечаем на вопрос о том, каковы Физические механизмы деформации и разрушения, если мы даем рекомендации по методам описания явлений, включая и инженерные расчеты на прочность, то на заключительном этапе должны быть даны технологические рецепты по созданию материалов с заданным уровнем физико-механических свойств.
В 80х годах в физике пластичности и прочности была сформули-
- о -
рована новая концепция структурных уровней деформации твердых тел С196]. Эта идея, воспринятая первоначально как остродискуссионная, за прошедшие годы получила убедительное экспериментальное и теоретическое обоснование и привела к созданию новой науки - мезоме-ханики или физической механики среды со структурой С 191-2023.
Мезомеханика базируется на представлениях о диссипативных структурах в неравновесных системах. Само понятие "диссипативная структура" является ключевым в новом научном направлении - синергетике, изучающей процессы самоорганизации, развития, устойчивости и распада структур различной природы С102,103,122,146,154,2513.
Лля синергетических систем любой природы, в том числе и для сильновозбужденных поликристаллических материалов, сохраняют действие три принципа: изменчивость, наследственность, отбор.
Изменчивость в общем случае характеризуется проявлением сто-хастичности и неопределенности, причем статистические законы действуют одновременно с динамическими. Изменчивость связывается с непрерывным образованием новых форм организации, их последующим разрушением путем перехода от одних состояний к другим [1421.
В ходе эволюции системы одни и те же факторы изменчивости обеспечивают и создание новых диссипативных структур и их разрушение. Если внутри состояния деформируемого материала обозначить статистическую закономерность Slat, а динамическую Dvn, то можно составить следующую схему, раскрывающую механизм переходов от состояния к состоянию при разрушении.
Dvn«' State D-НЭупС /р) Э J Зг [ Stat -~DynCu> $ )]
i-1 состояние i- состояние i+1 состояние
Т? - параметры состояния.
Наследственность связывают со способностью материала сохранять свои особенности, изменяться от прошлого к будущему и зависеть от прошлого. Наследственность отражает влияние прошлого на
- 7 -
будущее путем действия обратных связей, характерных для открытых систем С1543. Эволюция системы включает, с одной стороны, укрепление отрицательных обратных связей, способствующих сохранению системы в стабильном состоянии, а с другой - формированию положительных обратных связей, обеспечивающих ограничение стабильности. В случае деформируемого твердого тела и сильновозбужденных полик-ристаллических материалов, в частности, реализация этих тенденций приводит к наличию иерархии уровней диссипативных структур и, что очень важно, возможности применения математического аппарата теории марковских процессов С183].
Отбор в синергетических системах совершается по принципу экономии энтропии [154], заключающемуся в том, что, если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законом сохранения энергии, то реализуется состояние, которому отвечает минимальное рассеивание энергии и устойчивы будут те диссипативные структуры, которые максимально способны поглощать внешнюю энергию.
Синергетический или релаксационный подход рассматривает деформируемый полукристаллический материал как сильно неравно зесну» систему, а пластическое течение как диссипативный процесс, снижающий уровень упругих напряжений в кристалле. Релаксация напряжений происходит на различных структурных уровнях, начиная от атомного и кончая макроскопическим, охватывающим весь материал изделия.
В простейшем случае при испытании материала иерархия взаимодействующих уровней может быть представлена в следующем виде: образец-машина, группа зерен С не кристаллографический урсзень). зер-но, фрагменты зерен, включения второй фазы, блоки, ячейки, двойники, дислокации. Идея систематизации такова - каждый структур-ный уровень испытывает макродеформацию по отношению к нижестояще-
- 8 -
му уровню и микродеформацию по отношению к вышестоящему. Исчерпание какого-либо из этих каналов релаксации приводит к исключению соответствующего структурного уровня и кардинальному изменению характера процессов деформирования. Иерархия структурных уровней деформации имеет место при всех условиях нагружения, но характер аккомодационных механизмов закономерно меняется от процессов кристаллографической природы при малых пластических деформациях, до некристаллеграфических - при больших [ 202].
Последовательное физическое рассмотрение проблем накопления пластической деформации в процессе разрушения, адекватности механических свойств материала и изделия и прогнозирования их, упрочнения и разупрочнения при технологической обработке требует корректного учета каждого масштабного уровня и характера межуровне-
го взаимовлияния и взаимодействия между структурами, поскольку
*
макроскопические свойства материала формируются на всех этапах реализации процесса массопереноса. В данном случае технология обработки материалов выступает как совокупность приемов и воздействий на определенном структурном уровне или ряде последовательных уровней,- с целью рационального изменения и формирования механических свойств.
В последние годы возрос интерес к ноеым комбинированным способам термической обработки, при которых в качестве дополнительных физических факторов использованы многократные циклические тепловые воздействия. Получаемые эффекты во многом определяются наложением микропластической деформацией на структурные превращения при термической обработке. Разработка теории термоциклической обработки (ТЦО) сопряжена с решением ряда проблем, не нашедших отражения в литературе. Важнейшим вопросом-теории такой обработки является вопрос о микродеформационных явлениях, развивающихся в металлах и сплавах при ТЦО. Разработка теоретических
- 9 -
аспектов циклического теплового воздействия позволила создать ряд новых способов комбинированной обработки, защищенных авторскими свидетельствами.
Объединение идей физики, механики, инженерного материаловедения и технологии обработки материалов рационально со всех точек зрения: этической, эстетической, экономической, экологической, поскольку использование новых подходоз дает ключ к обобщению экспериментальных данных и поззоляет описать с единых позиций:
- процессы пластической деформации и разрушения поликристал-
лических материалов:
- влияние различных технологических обработок на формирование механических свойств:
- корреляционные связи между механическими свойствами материала и условиями испытания.
Исходя из вышеизложенного, данная работа является попыткой описания связей эволюции структуры поликристаллических материалов с диссипатизными процессами волнозого характера, возникающих при различных технологических воздействиях: активное нагружение, термомеханическая обработка, термоциклическая обработка, рекристаллизация, условия испытания, так что характеристики механических свойств обрабатываемого материала определяются полнотой протекания релаксационных процессов.
Работа выполнена на кафедре Металловедения ЛГТУ и кафедре Технологии конструкционных материалов ППИ.
Автор считает своим долгом выразить признательность и почтить светлую память дорогих и уважаемых им людей - проф. СПГТУ Лебедева Т. А. и проф. СПГУ Лихачева В. А. С проф. Лебедевым Т. А. автора связывало долголетнее творческое сотрудничество, со стороны проф. Лихачева В.А., автор всегда ощущал заботливое и внимательное участие и обязан самой идее написания данной работы.
- 10 -
I. СТРУКТУРА, ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ КОНСТРУШИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ.
1.1. Основные положения структурной многоуровневой теории
прочности и пластичности.
1.1.1. Современные проблемы физики пластичности и прочности
поликристаллических материалов.
Тейлор и Орован являются основоположниками теории пластичности, которая базируется на изучении свойств индивидуальных дислокаций [1323. Формоизменение кристалла рассматривается в ней как линейная суперпозиция результирующих вкладов всех подвижных дислокаций. Сопротивление пластической деформации вычисляется на основе анализа динамики индивидуальной дислокации и сил взаимодействия ее с дефектами кристаллической решетки в исходном состоянии и образовавшихся на предшествующих этапах воздействия на материал.
Эволюция структуры в классической дислокационной Физике пластичности сводится к изменению Формы дислокационных линий, в частности накоплению в плоскостях скольжения дислокаций различных систем, появлению плоских скоплений. Формированию нерегулярных дислокационных конфигураций типа жгутов, клубков, возникновению регулярных сеток.
В основе описания лежит схема Тейлора, согласно которой действием пяти систем скольжения можно обеспечить любое пластическое Формоизменение кристалла без нарушения сплошности. В реальных условиях схема Тейлора не реализуется: число действую-
щих систем, как правило, меньше пяти, а во многих случаях скольжение происходит по однсй-трем системам скольжения, сопровождаясь эффектами поворота элементов структуры материала. ]/[ вообще, использование аппарата классической теории дислокаций оказалось малоэффективным при... .<$ > 0,1. Принципиально новым в
- 11 -
дальнейших исследованиях явилось установление принципа ориентационной неустойчивости и явления фрагментации кристаллов при больших пластических деформациях [61,903. Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей и электронов показали, что ориентировка кристаллов в ходе их пластической деформации не сохраняется и даже направленно ориентированные области кристалла постепенно разбиваются на совокупность взаимноразориентированных областей -сначала ячеек, а затем фрагментов С 643. На стадии фрагментации разоривнтировки между соседними фрагментами увеличиваются линейно с.£ , так что при больших деформациях могут достигать десятков градусов. Размеры фрагментов наоборот уменьшаются, стремясь к предельным значениям порядка 0,2 мкм.
Явление потери ориентационной устойчивости и фрагментация типичны для деформируемых твердых тел с различным типом кристаллической решетки. После определенной степени пластической деформации они наступают и развиваются вне зависимости от исходной дефектной структуры, химического и фазового состава. Фрагментация наблюдается при всех, используемых на практике, режимах нагружения в широком диапазоне температур и скоростей деформации. Такая фундаментальность и общность явления свидетельствует о том, что имеются не менее фундаментальные и обшие причины, порождающие и ведущие его.
Ориентационная неустойчивость и эффект фрагментации по существу является формой кристаллографического поворота элементов структуры. Для правильного понимания природы движущих сил, вызывающих ориентационную неустойчивость микрообластей деформируемого металла, необходимо рассматривать несимметричный тензор дис-торсии .
В- - С1.1)
дх.1
симметричная часть которого описывает трансляционную моду де-
- 12 -
формации (удлинения и сдвиги) элементарного объема
дИ1к , диск
с 1 (Зи:к ,
Сек ~ п яV* •
\дХс дх
(1.2)
к
антисимметричная часть - поворот элементарного объема, как целого г V ^ I д и'и к дUi^^
03 “ ■ Т Vа*: " ~з*<)
Не менее важной идеей явилась идея перехода на мезоуровень рассмотрения процессов пластического течения кристаллов. Речь идет о масштабах, включающих в себя, как целое, микрообластъ, пластически поворачивающуюся в окружающей матрице. Внутри этой области, то есть на микроуровне, процессы рассматриваются в рамках классической дислокационной физики прочности и пластичности, вне ее - с привлечением понятия о ротационных модах пластичности.
Переход к стадии развитой пластической деформации, связанной с появлением мезодефектов, Физически представляется следующим образом С 2193. По мере роста.£ увеличивается плотность дислокаций. уменьшаются междислокационные расстояния, становятся большими силы междислокациоиного взаимодействия
/.„{ .-усег^Г
При малых £.. ими можно пренебречь по сравнению с силами
действующими на дислокацию со стороны внешних напряжений. V?.. Посте пен но приближается к. ^ а при некоторой критической
деформации. =. £>о , сравнивается с ней (рис. 1.1).
Начиная с этого момента в дислокационном ансамбле возникает сильное взаимодействие, появляются коллективные эффекты, а характер перемещения дислокаций становится зависящим не только от внешнего напряжения, но и от изменения конфигурации окружающих дисло-
- 13 -
каций.
Развитие коллективных мод движения в ансамбле сильновзаимо-действуших дислокаций приводит к возникновению специфических неоднородностей распределения плотности дислокаций Смезодефектов).
рис.1.1 Схематическое изображение зависимостей сил, действующих на дислокации, от величины деформации [ 2193.
Распространение по кристаллу мезодефектов сопровождается интенсивными ротациями и сдвигами, пластическая деформация переходит с микро на мезоуровень, существенно меняется ее кинетика.
В процессе пластической деформации мезодефекты играют активную роль - по существу, эволюция мезодефектов и есть эволюция структур деформационного происхождения. Образование мезодефектов приводит к реализации новых каналов локальной пластической деформации на более высоком масштабном уровне. Закономерная эволюция мезоструктур при больших пластических деформациях есть не что иное как способ ее осуществления.
Появление мезодефектов диктуется действием общих термодинамических принципов. Пластически деформируемый кристалл представляет собой открытую термодинамическую систему, в которую со ско-ростью.. .О.^..!.’. .Cid .*+ d .. нагнетается механическая энергия. Она расходуется на работу пластической деформации, создание упругих искажений и дефектов кристаллического строения, на диссипа-
- 14 -
цию. Между этими составляющими имеется соотношение С 220].
А ± ^ Г.Р 1 ^
6 ••£ = <5 * •<£ Г ■+ В
(1.4)
Д^гё г ^
где..!0.... - тензор внутренних напряжений,... &............... - тензор
скорости упругих деформаций,
• •
Гий - скорости накопления латентной энергии и диссипации. Исходя из того, что
А ^ * Л
А ± О «© . £
С 1.5)
Л х Ь *
можно в первом приближении принять £5 * * £ ^ Т) то есть для продолжения деформирования с постоянной скоростью необходимо обеспечить постоянную скорость диссипации. Однако по
мере роста плотности дислокаций происходит быстрое увеличение
стопоров и препятствий, тормозящих их продвижение по кристаллу,
дислокационный поток истощается, уровень внутренних напряжений
повышается и, в конечном счете, происходит хрупкое разрушение.
Лля реализации действительных характеристик пластичности по-ликристаллического материала система по мере истощения прежних каналов должна найти новые моды пластичности, по крайней мере, для того, чтобы подводимая к образцу упругая энергия могла дисси-лировать. Такими модами пластичности становятся крупномасштабные сдвиги и повороты внутренних областей кристалла. Лля их осуществления формируются мезодефекты. Мезоструктура является структурой диссипативного типа - она создает условия для продолжения деформации при больших. .С. , так что всегда процессы пластической деформации и структурообразования неразрывно связаны друг с другом и взаимнообусловлены. Нельзя правильно описать механические свойства металла на стадии развитой пластической деформации в отрыве от рассмотрения эволюции его дефектной структуры. Таким об-
- 15 -
разом, возникла новая структурно-кинетическая концепция пластической деформации и разрушения кристаллических твердых тел С 219], которая на базе предствлений о кинетике эволюционирования структур деформационного происхождения объединила в себе подходы, развиваемые в рамках дислокационной физики пластичности С110] и кинетической теории прочности [91].
Общим для всех научных направлений в физике прочности и пластичности является представление о поворотных модах деформации. Теоретическое и экспериментальное изучение ЭТИХ Эффектов привело к формулировке концепции структурных уровней деформации твердых тел С196]. Согласно этой концепции при заданных граничных условиях любые пластические сдвиги в пределах определенного структурного элемента деформации С СЭЛ) приводят к материальному повороту, который вызывает действие поля поворотных моментов на СЭЛ со стороны окружающей матрицы. В терминах данной теории удалось описать кривые пластического течения в различных условиях нагружения С 201].
Количественное изучение полей векторов смещений на поверхности деформируемого образца позволило проследить за характером распространения сдвигов и связанных с ними поворотов во времени и пространстве С199]. Это привело к обнаружению волн пластических сдвигов и поворотов, развивающихся во времени как волновой релаксационный процесс.
Физика волнового характера пластического течения связана с особенностями вовлечения в деформацию множественного скольжения. Ведущим механизмом деформации является первичное скольжение под действием максимальных касательных напряжений, которое всегда порождает первичный материальный поворот. Все остальные механизмы деформации являются аккомодационными поворотными модами, обеспечивающими релаксацию поля поворотных моментов, действующих на
- 16 -
СЭЛ со стороны матрицы. Аккомодационные механизмы деформации осуществляются вторичными потоками дефектов и могут обуславливать как материальный поворот С множественное скольжение), так и кристаллографический поворот СЭЛ С зернограничное скольжение, миграция границ зерен, фрагментация и др.).
Принципиально важно, что в любой точке деформируемого твердого тела в заданный момент времени может протекать только один вид скольжения: либо первичное, либо аккомодационное вторичное. Чередование зон первичных и аккомодационных сдвигов образует волну сдвиговой деформации. Связанные с первичным и аккомодационным скольжением материальные повороты имеют противоположные знаки и формируют волну материальных поворотов. Распространение взаимосвязанных трансляционных и поворотных мод деформации образует в деформируемой среде пространственную волну пластического течения. Вид этой волны определяется способом вовлечения в деформацию множественного скольжения С рис.2.1).
рис.2.1 Двухкомпонентная волна сдвига-поворота в поликристаллическом образце ¥е-*-ЗУЗї С1913.
На основе изложенных представлений в работе С1933 были сформулированы следующие физические принципы мезомеханики:
- 17 -
1. Пластическая деформация нагруженного кристалла является следствием потери сдвиговой устойчивости кристаллической решетки в локальных областях концентраторов напряжений и по своей природе является сугубо релаксационным процессом:
2. В каждой точке деформируемого объема в заданный момент времени сдвиг может осуществляться только по одной системе плоскостей скольжения, соответствующих направлению максимальных касательных напряжений, в котором решетка теряет свою сдвиговую устойчивость. Сдвиговая деформация всегда сопровождается материальным поворотом внутри структурного элемента деформации С зерна, блоки, ячейки дислокационной структуры и т.д.), который обуславливает появление на границах структурного элемента моментньгх напряжений, действующих со стороны матрицы. Поле поворотных моментов обуславливает появление поворотных мод деформации: выход дислокаций из своих плоскостей скольжения и Формирование разо-риентированной ячеистой субструктуры, вовлечение множественного скольжения как вихря материальных поворотов, кристаллографического скольжения, потоки дефектов по границам раздела, вызывающие повороты структурных элементов деформации как целого.
3. Повороты структурных элементов деформации как целого обуславливают появление на их границах зон стесненной деформации и связанных с ними новых концентраторов напряжений. Таким образом, кристаллографические сдвиги внутри структурного элемента за счет релаксации одних концентраторов напряжений приводят к генерации на границах раздела новых концентраторов через поворотные моды деформации. Это обеспечивает непрерывную работу источников дислокаций в условиях релаксационной природы пластического течения.
4. Самоорганизация релаксационных потоков деформационных дефектов через поворотные моды деформации обуславливает волновой
- 18 -
характер распространения пластической деформации по деформируемому твердому телу. Границы раздела и связанные с ними потоки деформационных дефектов играют важнейшую функциональную роль в волновом характере распространения пластической деформации. При отсутствии внутренних поверхностей раздела их роль играют боковые поверхности образца.
5. В работе С1931 приведена система полевых уравнений, которыми можно описать основные законы нелинейного поведения деформируемого твердого тела, определяемого эволюцией вихревого механического поля. Рассмотрим частный случай применения этих уравне-
ний - просуммируем по групповому индексу или возьмем свертку по внутренним индексам. Это позволяет выделить поле скоростей смещений. .У.. и поворотов. СО.. структурных элементов, связанное с изменением их объемов. Полевые уравнения С193] примут вид:
“ г)“ • ^ <1.6)
гоЬ/= _|Л
д i (1.7)
д V \
с1IV V в О
8]
(1.9)
Уравнение (1.6-1.9) описывают волновой характер изменения в деформируемом твердом теле поля смещений. Аналогичные уравнения можно получить для изменения поля поворотов и поля напряжений.
6. Уравнения, описывающие законы пластического течения твердого тела С 1933 могут быть написаны в следующем виде: л га*сгл£
(гЫй )м=$ 1Лх5_и + д± (1ло)
ал«
11)
- 19 -
При условии, что аккомодационные повороты полностью компенсируют материальные повороты первичного скольжения С 1.12), деформация будет происходить без нарушения сплошности. Условие пластичности имеет вид:
(гс{£>л) = \/(го1да) с 1.12)
т.е. в пластически деформируемом твердом теле без нарушения
7
сплошности сумма роторов всех потоков... Ц деформационных
дефектов должна быть равна нулю.
Если исключить реализацию всех механизмов аккомодационных поворотов, но сохранить первичное скольжение и сопровождающий его материальный поворот, то будет происходить нарушение сплошности и материал начнет разрушаться. Отсюда синергетический критерий прочности:
-,!Па (1.13)
з1>о; 20^6^= о
Таким образом, разрушение - это вид деформации, когда первичные сдвиги осуществляются на некристаллографических структурных уровнях деформации при затруднении протекания аккомодационных механизмов ротационной пластичности и возникновении несплош-ности материала как кристаллогафического аккомодационного поворота.
7. В соответствии с законами мезомеханики в деформацию вовлекается вся иерархия структурных уровней деформации. Эволюция этого процесса описывается законом структурных уровней деформации, вытекашим из закона сохранения момента количества движения, если его записать для объема, в котором происходит полное само-согласование трансляционных и поворотных мод деформации.
Из уравнений С1.10),С1.11), вытекает ряд принципиальных за-
ко но мерностей:
а) включение в деформацию каждого нового структурного уровня обуславливает появление новой волны пластического течения с длиной.. .и. и скоростью, что неизбежно проявляется в кинетике пластического течения. Например, изменяется коэффициент деформационного упрочнения, переход к ячеистой дисслокационной структуре приводит к появлению нового мезоскопического структурного уровня деформации, при этом перестает выполняться зависимость Холла-Петча, что является дополнительным подтверждением определяющей роли иерархии структурных уровней деформации в поведении характеристик материала.
б) применение уравнения С 1.13) позволяет определить верхний структурный уровень деформации.. £ . , который является границей применимости мезомехачики среды со структурой и механики сплош-ной среды. При.. и <..£р. учет структуры приводит к волновому характеру пластической деформации и разрушению твердых тел, который может быть описан только на основе мезомеханики среды со структурой. При..£. >..Сс может применяться механика сплошной среды.
в) Физическая механика разрушения может быть корректно построена только на основе мезомеханики среды со структурой, в которой распространение трещины рассматривается как поворотная мода деформации в волне пластического течения. Это приводит к качественно новым критериям разрушения - по мере пластической деформации размер области. ..С с , в пределах которой должна применяться мезомеханика, непрерывно возрастает и становится соизмеримым с поперечным сечением образца, что приводит к разрушению материала.
г) закон структурных уровней дает возможность с единых позиций объяснить закономерности пластической деформации и разрушения при различных видах и условиях нагружения, масштабный эффект.
- 21 -
влияние технологических факторов на прочность материалов, а так же прогнозировать поведение материалов в заданных условиях деформации.
Физическая природа стадийности пластической деформации С124] на основе анализа дислокационных структур хорошо описывается в терминах Физической механики среды со структурой, поскольку эволюция их так же определяется законом согласования трансляционных
табл.1.1
Структурные уровни, их масштаб и классификация
Название и содержание уровня Масштаб I
Микроуровень ■ ■
1 1 Вакансия, атом 2-3 А
1 2 Перегиб, порог 5-50 А
1 3 Дислокация, уступ на границе зерна 100 А
1 4 Группа дислокаций, сплетение, полоса скольжения, зона сдвига, дислокационная стенка, сегрегации, частицы вто-
рой фазы 100-1000А
Мезоуровень
I 5 Ячейка, дисклинационная петля, микрополоса сброса, микродвойники, пластины
и рейки мартенсита, фрагмент, субзерно 0.1-1 мкм
1 6 Дислокационный ансамбль, участок зерна пакет реек мартенсита, зона сдвига.
система скольжения 1-20 мкм
Уровень зерна
! 7 Зерно, дендрит, зона сдвига, система
скольжения 10-200мкм
Макроуровень
1 8 Группа зерен 0. 2-0. 5мм
1 9 Участок образца 1 мм
110 * Образец в целом — 1-10 мм
- 22 -
и поворотных мод деформации- Вариант иерархии структурных уровней приведен в табл. 1.1С124].
Масштаб структурных уровней деформации и стадийность деформационных кривых коррелируют между собой. В наиболее общем случае зависимость является четырехстадийной:
- переходная стадия, следующая за пределом текучести и показывающая либо рост, либо уменьшение коэффициента деформационного
- стадия II с интенсивным постоянным упрочнением:
- стадия III протекает с уменьшением коэффициента упрочне-
характер, эту стадию иногда разбивают на две, отличающиеся коэффициентами параболичности:
- стадия IV с низким и постоянным коэффициентом упрочнения. Стадийность кривых течения является общим свойством поликристаллов и не зависит от размера зерна в пределах от 20 до 2000 мкм [1241, однако с увеличением среднего размера зернаС< с! >') начало каждой последующей стадии смещается в сторону больших деформаций и соответственно возрастает продолжительность каждой стадии, и напряжение начала соответствующих стадий с ростом < с1 > уменьшается.
Появлением, развитием и сменой стадий пластической деформации при растяжении поликристаллический материал обязан эволюции субструктур. Другие структурные уровни оказывают влияние на этот процесс, но опосредственно - их влияние определяется теми факторами, которые формируют тот или иной тип субструктуры С 234].
На рис.1.3 объемные доли различных типов субструктур представлены в зависимости от средней скалярной плотности дислокаций. Хорошо видно убывание и возрастание соответствующего типа субструктуры на каждой стадии, а окончание каждой стадии совпадает с исчезновением прежней субструктуры, максимумом объемной доли су-
упрочнения
ния. Поскольку зависимость
- 23 -
шествующей и возникновением НОВОЙ.
Важной особенностью рис. 1.3 является попадание данных при разных размерах зерна С 40, 120 и 450 мкм) на одну кривую. Это
свидетельствует о том, что средняя скалярная плотность дислока-
рис. 1.3 Зависимость объемной доли субструктурС Ру') от скалярной плотности дислокаций в сплаве
№зРеС124]
1 - хаотическая, 2 - скопления, 3 - сетчатая,
4 - клубковая, 5 - ячеистая ций является важным параметром, контролирующим эволюцию дислокационной субструктуры и стадийность пластического течения. Независимо от размера зерна новый тип субструктуры и соответственно новая стадия пластической деформации возникают при достижении некоторой критической плотности дислокаций.
Вообще говоря, параметры дислокационной структуры, описывающие ее в скалярном представлении, меняются коррелированно со стадиями деформации. Скалярная плотность дислокаций С^?л ) для отдельных составляющих субструктуры на каждой стадии различна, но увеличивается в каждой последующей субструктуре.
Оказывается различной плотность дислокаций, измеренная вблизи границ зерен и в теле зерна - она всегда выше в пограничных
- 24 -
участках, где в поликристаллах, как правило, начинается формирование нового типа субструктур.
На стадии разориентированных субструктур вводится новый параметр - избыточная плотность дислокаций.. .Р^.... Избыточная плотность дислокаций непосредственно связана со средней кривизной-кручением решетки. -Н- - Методика измерения этих величин изложена в работах [ 125,1261. Избыточная плотность дислокаций начинает заметно изменяться к концу второй стадии, достигает максимума в середине стадии III и спадает до постоянной величины к началу стадии IV. Близость скоростей накопления скалярной С .Зрд./3 £• -) и избыточной С .Эр. + /.§ .£ . ) плотностей дислокаций к началу стадии IV указывает на то, что появившиеся на этой стадии дислокации аннигилируют и сохраняется лишь избыток дислокаций одного знака в локальных объемах.
Структурные уровни непосредственно связаны с проявлением поворотных мод деформации. На ранних стадиях деформации, когда градиенты разориентировок невелики, в поликристаллическом материале они проявляются на уровне зерна и могут достигать нескольких градусов. При переходе к стадии III непрерывные и дискретные разо-риентировки реализуются на структурных уровнях дислокационного ансамбля, участка зерна, ячейки, полосы или дисклинационной петли, а также отдельных субграниц. С развитием деформации картина разориентировок становится сложнее и неоднороднее, масштаб их измельчается и одновременно проявляется тенденция к развитию масштабной иерархии разориентировок.
1.1.2. Дислокационные принципы рационального
проектирования конструкционного материала.
Физическая механика среды со структурой принципиально может быть применена для проектирования материалов конструкционного и
- 25 -
инструментального назначения, поскольку все упрочняшие технологии, традиционная оценка сопротивления материалов пластическим деформациям и разрушению, термическая стабильность механических свойств основаны на анализе эволюции структуры.
В соответствии с таблицей 1.1. можно выделить следующие основные механизмы упрочнения или сопротивления пластической деформации поликристаллических материалов:
- решеточное С силы Пайерлса-Набарро, перестройка ядра дислокаций, электронное и фанонное торможение):
- твердорастворное:
- субструктурное:
- измельчение зерна, упрочнение при упорядочении:
- полифазное С дисперсионное, композитное),
и принципиально в аддитивном приближении можно записать [ 212,273,3051:
Дбт р-ь 1.14)
1..Д5Эс - напряжение трения в кристаллической решетке,
или напряжение, которая должна преодолеть движущаяся дислокация в решетке свободней от каких-либо препятствий. >— О
р. -2^ V/
Дбс=<Оп=сЮ-^/--б
где____Сл.. - коэффициент, зависящий от геометрии дислокации
и температуры: С - модуль сдвига матрицы:
V/ - ширина дислокации.
2..Д<о ьр- напряжение, которое необходимо для преодоления дислокациями границ зерен, границ двух Фаз, узких прослоек второй Фазы, т.е. напряжение макротрансляции в реальном сплаве. Роль границ зерен в Формировании механических свойств поликристалли-
- го -
ческих материалов описывают уравнением Холла-Петча С 267,292].
— I / 2_
0т=<Ос+КС| а 15)
где..©а. и К - параметры материала, с! - размер зерна.
Для объяснения уравнения С 1.15) предложено несколько моделей С 29-313: все они основаны на взаимосвязи величины зерна с плотностью дислокаций, и рассматривают границы зерна только как механические барьеры для скольжения дислокаций. Основные известные уравнения теории зернограничного упрочнения отличаются интерпретацией коэффициента К .
1. Теория барьерного эффекта Котрелла [131], Армстронга, Кол-да С261] и др. основана на представлениях об образовании возле границ плоских скоплений дислокаций, з вершинах которых создает^ ся концентрация напряжений сдвига, необходимая для передачи скольжения в соседние зерна С рис. 1.4а).
ку = 2б0£ /2; Ку = 2т'Сс2 1/2 С1 ш
<5,'£о - критические напряжения срабатывания дислокационного
источника на некотором расстоянии.../.. С или. .2. ) от вершины плоского скопления дислокаций.
.П1....- множитель, преобразукщий тензор внешних напряжений в приведенное напряжение сдвига.
2. Деформационная модель Конрада [129], согласно которой плотность дислокаций в деформируемом поликристалле обратнопропорциональна размеру зерна С рис. 1.46). ________
р=(с^/с/>£ к = (1.17)
3. Модель Ли, объединяюцая начальную стадию течения действием зернограничных источников, число которых в каждом зерне пропорционально отношению площади границ к объему зерна [280Ї С рис.1.4в)
- 2? -
С1.18)
4. Модель Эшби С 33], вьшеляшая из общей плотности дислокаций так называемые "'геометрически необходимые" дислокации, которые отвечают за локализованную деформацию возле границ и плотность которых обратнопропорциональна размеру зерна (рис.1.4г)
рис.1.4 Модели зернограничного упрочнения.
.А.. - длина зернограничных дислокаций, испускаемых с единицы границ зерна; Р - площадь границ зерна: N - объем зерна:
....(?.... - плотность геометрически необходимых дислокаций;
Ь - длина свободного пробега геометрически необходимых дислокаций: С1,С2 - константы.
Теории имеют ограничения и недостатки, связанные с принятыми в них допущениями, которые не всегда подтверждются. Кроме того, ни одна из этих теорий не объясняет всех, уже выявленных особенностей пластической деформации поликристаллов. Например, в теории барьерного эффекта остается спорным вопрос о существовании плоских скоплений дислокаций у границ зерна. Они наблюдаются на начальных этапах пластического течения, однако на этапе разви-
- 28 -
той деформации, приводящей к образованию ячеистой структуры, сохранение их маловероятно. В данной модели не раскрыт механизм постоянства произведения. ГГоУг
Согласно модели Конрада, в процессе деформации величина Ку непрерывно возрастает, хотя известно, что она практически не изменяется в пределах области равномерной деформации. Это же относится и к модели Ли. в которой к тому же искусственно допускается, что все зернограничные источники должны заработать одновременно, поскольку в противном случае не будет соблюдаться линей-
рг _ х/т. ная зависимость .О $. Т. г?..
вклад от твердо растворного упрочнения.
Стартовое напряжение дислокаций или напряжение течения в твердых ратворах выше чем в чистых металлах, вероятно по двум основным причинам:
- при легировании создаются затруднения в движении любой свободной незаблокированной дислокации из-за упругого взаимодействия поля этой дислокации с искаженной кристаллической решеткой матрицы за счет растворенных атомов;
- многие дислокации в металле заблокированы атомами растворенного элемента, что в свою очередь приводит к концентрационной неоднородности матрицы.
Упрочняющее дейстзие растворенных атомов можно рассматривать исходя из того, что или атомы легирующего элемента распределены в матрице статистически беспорядочно, или атомы сегрегированы и образуют устойчивые атмосферы у дислокаций, так что
*От р = А ® р. 5ёоп. -V- А6р. о т ли .
В первом случае справедлива теория Мотта-Набарро, согласно
которой упрочнение за счет растворенных атомов связывается с полем искажения иэ-за различия атомных радиусов компонентов сплава. Прирост прочности пропорционален атомной концентрации растворен-
- 29 -
ного элемента и параметру размерного несоответствия атомов растворенного элемента в матрице.
- мера поля внутренних напряжений, определяе-
мая изменением решетки твердого раствора в зависимости от концентрации растворенного вещества.
Теория Флейшера учитывает два типа взаимодействия движущейся дислокации с атомами растворенного элемента, что количественно выражается мерой несоответствия атомных модулей упругости
Б обоих случаях экспериментально доказана зависимость напряжения течения от концентрации легирующего элемента и параметра размерного несоответствия.
4. С С - упрочнение, вносимое субструктурой.
Субповерхности раздела - дислокационные образования в кристалле, предсталянщие собой либо компланарную сетку малоугловых границ С полигональные границы), либо объемную сетку переплетенных дислокаций С стенки дислокационных ячеек). Оба типа субповерхностей раздела возникают в результате перестройки избыточных дислокаций внутри кристалла и ограничивают собой микрообъемы, в пределах которых ориентировка решетки сохраняется практически постоянной. Создание сетки полигональных границ лежит в основе субструктурно го упрочнения по механизму полигонизации: образова-
ние стенок дислокационных ячеек представляет суть субструктурно-го упрочнения по механизму ячеистой фрагментации. В общем случае субструктура характеризуется тремя основными параметрами: разме-
рами субструктурного элемента С субзерно, фрагмент, ячейка, блок.
С^- концентрация растворенного элемента:
I с*съ
760
- 30 -
полигон), структурой субграниц раздела, степенью разориентировки соседних элементов (объемов).
Классификация дислокационных субструктур, наблюдаемых в деформируемых материалах, изложена в обзоре С124]. При рассмотрении субструктурного упрочнения выделяем:
- однородные неразориентмрованные субструктуры (дислокационный хаос, скопления, сетчатые субструктуры):
- неоднородные неразориентмрованные (дислокационные сгущения, клубки, ячейки, ячеисто-сетчатая субструктура);
- разориентированные дислокационно-дисклинационные ( разо-риентированные ячейки, разориентированные ячеисто-сетчатая, полосовая и субструктура с непрерывными и дискретными разориентировками):
- разориентированные бездислокационные (субзеренная или фрагментированная):
- разориентированные двойниковые и мартенситные (многослойные дефекты упаковки, двойники деформации, деформационный мартенсит).
Подчеркиваются следующие три особенности неоднородных и разориентиро ванных субструктур деформационного происхождения:
1. В них встречаются различные локальные дислокационные конфигурации - хаотические сгущения дислокаций, упорядоченные дислокационные клубки, границы ячеек с дипольной конфигурацией, не приводящей к разориентации, и границы ячеек с избытком дислокаций одного знака, вводящим разориенташю (рис. 1.5а-в);
2. Субграницы различной степени совершенства и границы фрагментов (рис. 1. 5г,д);
3. Разориентированные субструктуры с распределенными дислокационными зарядами, занимающими весь, или часть, объема материа-
- 31 —
X _1_ “Г ± т т X
Л- 1 х т 1 ± X
т А. Т т X 1 X
Т-^т т т ± X л.
х X т X т. ± X
1 X т X X ±
-1. !
0 Б е> г А
рис.1.5 Типы дислокационных конфигураций, лежащие в основе классификации неоднородных и разорив нтиро ванных субструктур С124].
ла. Они вводят непрерывную кривизну-кручение С.К. Э кристаллической решетки и ее градиент С.^^/дЛ ).
8
си
I
о
сг>
о <3
си Ї
3
*4
*4 'Ч
1Л
о о
ч ¥ О р» •ч Ч I
(и 9 I
° а
о ИГ -г о
у
• «а
ХАОС
ы
СКОПЛЕНИЯ о
1 — ь
СЕТЧАТАЯ X <3 о
КЛУБКИ
Ячейки без роэ-ориентировки
и
о
У
§
а
й.
о
X
*4
о
у
|йЧЕИСТО-СЕТЧАТА£^^
Ячейки с оазо-
РИЕНТИРОЬКОИ
ФоагмЕнти-
полосовая рованная
у:
РА30РИЕНТИР0ВКАМИ
1Г~
Аморфиза-ция
рис.1.6 Схема превращения субструктур С124]
РАЗОРМЕНТИРОВАННЫЕ ДСР НЕРАЗОРИЕНТИРО-
* *Ьан^Г лес—
- 32 -
Каждая из вышеперечисленных особенностей своим присутствием определяет тип субструктуры. Деформационные структуры, рассмотренные в приведенной выше классификации, по мере развития деформации, возникают не случайным образом, а в определенной последовательности, следуя друг за другом С171]. Для случая дислокационных и дислокационно-дисклинационных субструктур основные схемы превращений представлены на рис 1.6. Возникновение каждого типа дислокационных субструктуре рис. 1.6) происходит при некотором значении скалярной плотности дислокаций С./?Л ), которое может быть названо критическим С. .Р. кр).
Представление о существовании критической плотности дислокаций для образования субструктур теоретически введено в работах [219,663 и в результате экспериментальных исследований С104].
ДбсСг упрочнение, вносимое субструктурой, может к быть представлено следующим образом:
- вклад, обусловленный торможением на дислокациях, распределенных в объеме материала (контактное торможение).
Параметром субструктуры, контролирующим сопротивление сдвигу является скалярная плотность дислокаций.
А0Яо-р барьерное торможение. В зависимости от типа субструктуры, торможение сдвига происходит на дислокационных сгущениях, границах ячеек, границах Фрагментов и количественно выражается соотношением: - \ - 4
Дбсс=Дбк Ч-Дб5а.р.-ЪДбд ч-Д0<рС1.22)
-ч
соответственно описывающими ячеисто-сетчатую, ячеистую, полосо -
- 33 -
вую и фрагментированную субструктуры.
5. - вклад от дальнодействуицих полей напряже-
ний. Величина далънодействуших полей определяется типом субструктуры, т.к. различные элементы субструктуры вносят в структуру поля вклады разной длины волны и амплитуды.
Величина среднего значения поля зависит от объема кристалла, по которому производится усреднение. Для ряда дислокационных конфигураций среднее значение поля равно нулю, но отлична от нуля дисперсия, дагацая сведения об амплитуде флуктуаций поля.
Вообще говоря...а при наличии избыточной плотности дислокаций
ИЛИ
т. е. наличие избыточной плотности дислокаций может привести к резкому возрастанию дальнодействуицих полей напряжений.
. Д.'О фА.. - флуктуационная поправка, обусловлена неоднородным распределением дислокаций в объеме материала. Выражение имеет
вид С1233
Д ЬфА = о--------М20) (1
23)
. М.2 СР)~ второй момент функции распределения плотности дислокаций.
- суммарный упрочняший эффект от дисперсных фаз в стали может быть представлен тремя механизмами.
Дбф =- Абср + А бх -4- Аби - м .
Ср. - упрочнение по механизму Орована за счет взаимодействия движущихся дислокаций с частицами
О - расстояние между частицами; ш = 3: й - размер частиц. Механизм Орована применим для расчета упрочнения некогерет-
- 34 -
ными частицами, расположенных на расстояниях значительно больших чем их радиус. Механизм наблюдается, когда в матрице находятся более жесткие частицы, т. е. модуль упругости частиц больше, чем у матрицы. Дислокации будут удерживаться на частицах до тех пор, пока прилагаемые напряжения не будут достигаемыми для того, чтобы линия дислокации изогнулась и прошла между частицами, оставив вокруг них дислокационную петлю. Анализ формулы для. Д© С р.. показывает, что степень дисперсионного упрочнения зависит лишь от расстояния между частицами и от их размера. Эти две величины характеризуют объемную долю частиц £.. , которая определяется
сотношением:
^=(0.81 ИлИ ]]- 0,81 уГ75 С 1.24)
- упрочнение за счет значительного увеличения числа дислокаций, образования дислокационных призматических петель и спиралей по механизму Хирша можно количественно оценить формулой:
-1/2
де*=к „Л- г\С1.
25)
. - геометрическая величина скольжения дислокаций, опре-
деляемая расстоянием между частицами.
Таким образом, упрочнение по механизму Хирша прямо связано с межчастичным расстоянием.. Я . соотношением аналогичным уравнению Петча-Холла.
.Л<О.Ц| . - упрочнение за счет перерезания деформируемых час-
тиц движущимися дислокациями по механизму Николсона-Мотта может быть представлено соотношением:
д<ои-м = кОг|дЕ с 1.26)
Д Е - изменение энергии, происходящее при перерезании частицы, г. ..Л<ал - вклад от дислокаций леса