Характер деформации и разрушения

В) Поворот и относительное смещение мозаичных блоков

Б) Диффузионный механизм пластичности

А) Сдвиговый механизм пластичности

Скольжение. Процесс скольжения заключается в том, что под влиянием приложенных сил кристалл разбивается на слои или пластинки (пачки скольжения), которые смещаются одни относительно других. Пачки скольжения хорошо обнаруживаются на отполированном и затем подвергнутом деформации образце в виде параллельных линий, расположенных на разном, а иногда и на равном расстоянии друг от друга.

Область плоскости сдвига и соседних к ней объемов, вследствие искажения в них кристаллической решетки является более прочной, чем участки, где сдвиг не произошел. Поэтому при повышении нагрузки новые сдвиги могут произойти или в направлениях, параллельных первому сдвигу, или в других кристаллографически благоприятных плоскостях. Таким образом, пластическая деформация развивается путем образования все новых и новых сдвигов. Металл упрочняется, так как уменьшается число возможных направлений для образования сдвигов, пока дальнейшее повышение напряжения не вызовет разрушения.

В процессе пластической деформации сдвиги происходят по определенным кристаллографическим плоскостям. Как правило, плоскостью сдвига служит такая плоскость в решетке, которая обладает наибольшей плотностью расположения атомов, а направление скольжения – это то направление в плоскости скольжения, в котором атомы наиболее плотно расположены. Плоскости скольжения при деформации могут быть различными в зависимости от температуры, степени предварительной деформации металла и содержания в нем примесей. Направление скольжения – наиболее постоянный параметр процесса скольжения.

Двойникование. Кроме деформации, происходящей путем сдвига вдоль плоскостей скольжения, металлы могут деформироваться также путем двойникования.

Деформация двойникованием происходит в результате сдвига целой совокупности соседних атомных плоскостей относительно плоскости двойникования. Причем перемещение плоскостей относительно плоскости двойникования происходит в определенном направлении на определенную величину.

При деформации поликристаллических тел очень большое влияние оказывают границы зерен, а также то, что в поликристаллическом теле кристаллиты обычно беспорядочно ориентированы один относительно другого и деформируются по-разному. Вследствие этого поликристаллический материал оказывает более высокое сопротивление деформации, чем монокристалл.

Рис. 3.1. Схема движения дислокации в решетке кристалла:

а – совершенный кристалл; б, в, г – сдвиг, происшедший в результате передвижения положительной линейной дислокации вправо

Процесс сдвига согласно теории дислокаций осуществляется путем перемещения дислокации (рис. 3.1) вдоль кристалла и «разряжения» ее на границе мозаичного блока или на поверхности кристалла.

При приложении к кристаллу внешней силы дислокации перемещаются по плоскостям сдвига и вызывают процесс скольжения. Движение дислокаций требует значительно меньших напряжений по сравнению с напряжениями, необходимыми для того, чтобы одновременно сдвинуть все атомы данной плоскости. По мере роста деформации плотность дислокаций возрастает. Благодаря тому, что дислокации создают вокруг себя область искаженной решетки, они взаимодействуют друг с другом. Силы взаимодействия дислокаций между собой возрастают при увеличении числа дислокаций. Вследствие этого, напряжения, необходимые для возникновения новых дислокаций, возрастают. Этим объясняется упрочнение металла. Начало скольжения при помощи передвижения дислокаций зависит от напряжения и температуры, а также от времени, в течение которого было приложено напряжение. При высоких температурах существует большая вероятность движения дислокаций благодаря термической активизации, которая дает возможность дислокации преодолеть потенциальные барьеры. Разупрочнение наклепанных металлов рассматривается в настоящее время как явление, связанное с диффузией дислокаций. При низких температурах дислокации закрепляются на месте вследствие взаимодействия с другими дислокациями или другими деформированными районами внутри кристалла. Действие напряжения заключается в том, что при достаточно большом напряжении вероятность активации дислокации возрастает до такой степени, что даже при низких температурах будет происходить движение дислокации и, как следствие, этого движения, скольжение в кристалле.

Механизм изгибания. К характерным признакам изгибания относятся:

1) изгибание плоскостей кристаллографического сдвига;

2) изгибание в плоскостях сдвига (линии в поверхностях сдвига в зоне изгибания претерпевают двойной перегиб).

Пластинкование напоминает двойникование, но в отличие от последнего угол поворота при пластинковании не является постоянной величиной, а зависит от степени деформации.

Диффузионная пластичность проявляется особенно эффективно при наличии градиентов напряжений, образующихся в металле. Эти градиенты при простом растяжении носят микроскопический характер, ибо они вызываются неодинаковым распределением напряжения между зернами.

В этом случае разность в величинах напряжений, наблюдаемая на границах двух неодинаково напряженных зерен, приведет к появлению самодиффузионных токов, которые будут способствовать выравниванию напряжений в обоих рассматриваемых зернах.

В поликристаллических металлах самодиффузия может происходить как по границам зерен, так и в самих зернах. Самодиффузия на границах зерен идет более легко, для нее требуется энергия активации меньшей величины. Таким образом, пластическая деформация может протекать как путем диффузии – перемещения разнородных атомов, так и самодиффузии – перемещения однородных атомов.

Растворно-осадительный механизм пластичности. Сущность процесса деформации при ползучести за счет указанного механизма заключается в диффузионном переносе атомов из одной фазы в другую и обратно в местах флуктуации энергии во время процесса деформации. Растворно-осадительный механизм при наличии достаточной взаимной растворимости фаз может протекать при следующих условиях:

1) когда растворимость сосуществующих фаз заметно меняется с температурой;

2) когда диффузионный процесс растворения или обратного выделения совершается достаточно быстро и успевает протекать во время деформирования.

Основным отличием этого механизма пластической деформации от сдвигового и диффузионного механизмов ползучести является то, что он построен на диффузионных процессах, протекающих на границах сосуществующих фаз и приводящих к перемещениям частиц одной фазы в другую, т. е. к межфазовым перемещениям. Сдвиговый процесс идет во всем объеме кристаллов каждой фазы порознь, диффузионный же хотя и может распространяться по поверхностным слоям, но протекает преимущественно по границам зерен.

Растворно-осадительный механизм, свойственный только двухфазным и более сложным сплавам, становится возможным, как и диффузионный, при температуре не ниже 0,3 от абсолютной температуры плавления.

Рекристаллизационный механизм. Связан с перемещением атомов на расстояния примерно равные межатомному и по природе своей близок к диффузионному процессу, хотя и не является полностью таковым.

Физическая сущность процесса рекристаллизации заключается в преодолении атомами деформированного металла атомных связей в деформированной решетке, в образовании зародыше новых неискаженных зерен и их последующем ростe за счет перехода атомов от искаженных к неискаженным кристаллам.

Дислокационно-диффузионный механизм. Этот механизм состоит из передвижения дислокаций (сдвиговый механизм) вместе с «облаком» растворенных в основной решетке чужеродных атомов, окружающих дислокации.

Перемещение дислокаций под влиянием приложенных напряжений вызывает пластическую, сдвиговую деформацию и изменение концентрации растворенных атомов в решетке твердого раствора около дислокаций под действием напряжений.

Вокруг дислокаций образуется «облако» или «атомная сфера», которая в этих участках кристалла решетки имеет иную концентрацию, иное напряженное состояние, иные межатомные силы связи. Таким образом, процесс пластической деформаций в этом случае рассматривается как результат одновременного перемещения дислокации и диффузионного перемещения творенных в твердом растворе атомов вокруг дислокаций.

Этот механизм отчетливо проявляется при малых величинах пластической деформации.

Блокообразование всегда возникает около зон металла с затрудненной деформацией, если по пути распространения поверхностей сдвига возникает какое-либо препятствие. Разбивкой деформации в зерне на отдельные блоки общая деформация всего зерна, несомненно, облегчается, так как смещение отдельных блоков осуществляется легче, чем смещение и изгиб пространства между поверхностью сдвига.

Рассмотрение структуры образцов алюминия после испытания на ползучесть при различных температурах и напряжениях показало, что внутри зерен наряду с обычными линиями сдвигов и зонами изгибания наблюдается торможение полос скольжения около зон изгибания.

Кроме того, наблюдается искажение формы границ зерен в процессе ползучести и образование блочной структуры внутри зерна.

Наблюдение за поведением границ зерен в процессе ползучести алюминия показало, что при относительно высокой температуре испытания (600°С) на границе зерен появляются места рекристаллизации.

Если исходить из теории упрочнения и разупрочнения, то этот период характеризуется тем, что каждому элементарному акту пластической деформации, вызывающему упрочнение, предшествует акт разупрочнения вследствие тепловых воздействий. Оба противоположных явления протекают, таким образом, что результирующая их является приблизительно постоянной, вызывая равномерное нарастание деформации металла. В этот период ползучести вступают в действие механизмы скольжения и диффузионных процессов. Причем в зависимости от напряжения и температуры испытания превалирующее значение может иметь тот или другой механизм в том случае, если ползучесть протекает при высоком напряжении и сравнительно низких температурах, преимущественное значение приобретают механизмы скольжения. Если ползучесть протекает при небольших напряжениях и высоких температурах – диффузионные процессы. В зависимости от условий эксплуатации металлов (рабочих напряжений и температуры), т. е. в зависимости от того, какой механизм пластической деформации преобладает, следует изменять легирование, структуру и величину зерна (изменяя режим термической обработки).

Если условия службы металла таковы, что ползучесть металла протекает главным образом путем диффузионной пластичности, то необходимо проводить легирование металла и его термическую обработку так, чтобы повысить сопротивляемость ползучести границ зерен. Если же условия службы металла предопределяют ползучесть путем сдвиговой деформации, нужно повысить сопротивляемость ползучести самого тела зерна. Сопротивляемость ползучести границ зерен может быть повышена легированием металла такими элементами, которые воздействуют главным образом на границы зерен, например бором и другими поверхностно-активными элементами. Сопротивляемость границ зерен можно регулировать также изменением размеров зерен. С укрупнением зерна должна повыситься сопротивляемость ползучести, так как уменьшится протяженность границ. Кроме того, наличие на границах зерен примесей, снижающих температуру рекристаллизации, также может способствовать снижению прочности границ зерен.

Сопротивляемость ползучести зерна может быть повышена за счет легирования элементами, входящими в твердый раствор к повышающими температуру рекристаллизации, созданием тонкой неоднородной структуры, степень неоднородности которой определяется величиной блоков, дисперсностью кристалликов упрочняющей фазы и искаженностью решетки, затрудняющей скольжение. К концу второго периода ползучести местные нарушения сплошности, концентрация напряжений, утонение диаметра образца, а также структурные изменения достигают таких размеров, что приводят к нарастанию скорости ползучести, которая переходит к третьему периоду и разрушению металла.

Процесс разрушения идет путем зарождения и развития трещин по границам зерен, если границы оказываются слабым местом, или по зерну (по границам блоков), если зерно более слабое место.

Проблема микромеханизма возникновения и развития трещин рассматривается с двух точек зрения:

1) возникновение и развитие трещин вследствие концентрации напряжений на границах зерен при относительном их перемещении;

2) появление трещин, благодаря скоплению по границам зерен вакантных мест кристаллической решетки и объединение их в вакантные колонии.

Жаропрочность сталей и сплавов определяет совокупность факторов:

1. сопротивляемость пластической деформации самих зерен и их границ,

2. сопротивление коррозионному воздействию среды и термостойкость.

Характер процесса деформации и разрушения сталей и сплавов при высоких температурах под влиянием длительно приложенных напряжений может быть различным в зависимости от химического состава, структуры, температуры и времени и определяется как свойствами самих зерен, так и свойствами их границ. Из экспериментальных данных известны два крайних случая или типа деформации и разрушения при длительном разрыве.

1. Внутризеренная деформация, когда пластическая деформация протекает преимущественно за счет сдвига внутри зерен. Такой вид деформации имеет место при значительных скоростях ползучести и при температурах более низких, чем равнопрочная температура, когда сопротивление сдвигу в зернах, не только наиболее благоприятно ориентированных, но и всего большинства, значительно меньше, чем сопротивление отрыву. В этом случае имеют место значительная пластическая деформация и вязкое разрушение, которые происходят по зерну от касательных напряжений при значительной длительной пластичности.

2. Межзеренная деформация, когда деформация, образование и развитие трещин протекают преимущественно на границах зерен путем перемещения отдельных зерен и их отрыва. Такой вид деформации наблюдается в том случае, когда сопротивление сдвигу в зернах значительно больше, чем сопротивление отрыву по границам зерен. В этом случае происходит хрупкое разрушение металла под действием нормальных напряжений – от отрыва.

Такой характер разрушения имеет место в том случае, когда жаропрочность зерен очень сильно повышена благодаря выделению упрочняющих фаз при термообработке, либо за счет упрочнения зерен и одновременного снижения прочности их границ из-за располагающихся по границам зерен легкоплавких примесей или каких-либо хрупких фаз.

Наблюдается и смешанный характер деформации и разрушения сталей и сплавов на последней стадии процесса ползучести. Применительно к котельным сталям, предназначенным для длительной службы, как правило, при длительных испытаниях наблюдается именно такой смешанный характер деформации и разрушения. Жаропрочные котельные стали, в связи с предъявляемыми к ним требованиями по достаточной пластичности при длительном разрыве, не могут иметь сильно упрочненного твердого раствора, сильно упрочненных зерен, а должны иметь относительно более или менее стабильную структуру при длительном температурном воздействии. Поэтому, применительно к таким сталям следует иметь в виду только первый и промежуточный тип деформации и разрушения. При смешанном характере деформации и разрушения в процессе испытаний сталей на длительную прочность наиболее интересно с практической точки зрения соотношение, между первым и вторым типом деформации, т. е. деформация до момента перехода из первого ко второму типу или, иначе говоря, запас пластичности при длительном разрыве. Длительность испытания, так же как температура, структура, химический состав стали и чистота границ зерен, имеет большое влияние на характер деформации и разрушения. При увеличении длительности испытания сопротивление деформации зерен приближается или для мало пластичных материалов оказывается равным максимальным касательным напряжениям в зернах. В этом случае значительно снижается остаточная деформация до разрушения образца. Таким образом, при увеличении времени до разрыва при испытании на длительную прочность в деформации все больше используются границы зерен, поскольку увеличивается количество разрушений по границам зерен по сечению излома.

Это обстоятельство можно объяснить только различным изменением (уменьшением) скорости ползучести самих зерен и их границ при понижении напряжения и значительном увеличении времени испытания, когда деформация по границам, т. е. передвижение самих зерен во времени реализуется в большей мере, чем деформация в зернах.

В поликристаллических сплавах из-за значительного относительного угла поворота зерен и их анизотропии вполне вероятно возникновение в некоторых местах плоскостного или объемного напряженного состояния на границах зерен. Поэтому характер деформации и разрушения стали будет зависеть от возможности реализации пластической деформации в зернах. При возможности такой деформации указанные напряжения будут вызывать пластическую деформацию в зернах до определенного их упрочнения, после чего вероятна деформация и по границам зерен. При отсутствии такой возможности, т. е. при сильном упрочнении самих зерен реализация деформации по границам зерен в условиях сложнонапряженного состояния приведет к хрупкому разрушению.