Особенности пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении

Резкое увеличение скоростей приложения нагрузки при динамических испытаниях определяет особенности картины пластической деформации, деформационного упрочнения и разрушения.

В условиях динамической деформации изменяется поведение дефектов кристаллической решетки, в первую очередь дислокаций. При динамическом нагружении на дислокации почти мгновенно начинают действовать относительно высокие напряжения τ. В результате скорость перемещения дислокаций увеличивается:

υ_π= c₃ [(τ- τ_i)/τ₀] ^m,

где τ_i – напряжение сопротивления решетки перемещению дислокаций; τ₀ – постоянное напряжение, при котором υ_π=1 см/c; m – коэффициент, зависящий от природы металла; c ₃ – скорость распространения звука в металле.

Величина коэффициента m в первую очередь определяется типом решетки и характером межатомной связи в кристалле. У наиболее пластичных ГЦК металлов значения m максимальны (у меди – 200), а у ОЦК металлов они, по крайней мере, на порядок меньше.

Резкое ускорение консервативного скольжения дислокаций в условиях динамического нагружения приводит к увеличению сил трения решетки. Это вытекает из скоростной зависимости ширины и энергии дислокаций. Чем больше их скорость υ_π, тем больше энергия, меньше ширина а (1 – v) и следовательно, больше сила Пайерлса. Увеличение сил трения, препятствующих быстрому скольжению дислокаций, вызывает прирост критического напряжения сдвига и дополнительное упрочнение металла.

Высокий уровень напряжений при динамическом испытании способствует одновременному действию большого числа дислокационных источников. Параллельно в ГЦК металлах растет и число действующих систем скольжения. Одним из следствий этого является подавление стадии легкого скольжения в монокристаллах. В то же время линии скольжения на поверхности образца, подвергнутого динамической деформации, часто менее волнисты, чем после статической. Для ОЦК металлов этот эффект связывают с тем, что в результате ударного нагружения образуются и перемещаются в основном краевые дислокации. Их консервативное скольжение в определенных плоскостях и приводит к образованию прямых следов скольжения.

Повышение скорости деформации способствует развитию двойникования в металлах с любой решеткой, в том числе ГЦК.

Увеличение плотности дислокаций, числа систем скольжения и двойникования при динамическом нагружении ведет к уменьшению средней длины свободного пробега дислокаций и повышению концентрации точечных дефектов в результате возрастания вероятности пересечения дислокаций и их движения с порогами.

Особенности картины пластической деформации при динамическом нагружении обуславливают изменение деформационного упрочнения и отдельных характеристик прочности и пластичности по сравнению со статическими испытаниями. В разделе 2.3 влияние повышения скорости деформации приравнивалось к снижению температуры испытания. Это утверждение верно для диапазона скоростей, реализуемых при статических испытаниях. В области же высоких скоростей проявляется ряд новых эффектов. Наблюдается, в частности, существенное увеличение степени деформационного упрочнения на I стадии кривой деформации монокристаллов с ГЦК и ГП решеткой. При динамическом нагружении резко увеличивается и степень упрочнения на II стадии, когда действует большое число систем скольжения.

Если сравнивать кривые деформационного упрочнения для одного поликристаллического металла при статическом и динамическом нагружениях, то обычно с увеличением скорости фиксируется повышение уровня напряжений и на начальных стадиях – степени деформационного упрочнения (рис. 2.67).

Рисунок 2. 67 - Кривые напряжение – деформация при динамической (1) и статической деформации (2): а – для алюминия (Ямада, Котерезава);

б – для стали с 0,2% С (Кэмпбелл, Хардин)

Итак, при динамических испытаниях характеристики прочности, особенно сопротивление малым деформациям, повышаются по сравнению со статическими. Пластичность неоднозначно зависит от скорости деформации. В большинстве случаев при ударных испытаниях образцов с надрезом характеристики пластичности оказываются ниже, чем при аналогичных статических испытаниях. В определенных условиях при высокоскоростной деформации некоторые металлы могут проявлять повышенную пластичность. Так, например, получается при штамповке взрывом (динамическое сжатие) металлов с гексагональной решеткой.

Характер изменения пластичности и вязкости (работы деформации) с увеличением скорости деформации зависит от типа разрушения – среза или отрыва. Если при заданной схеме нагружения и температуре материал разрушается путем отрыва, то сопротивление разрушению мало меняется при переходе от статической к динамической деформации. В этом случае пластичность с увеличением скорости уменьшается. Если же разрушение происходит путем среза, то сопротивление разрушению существенно возрастает с ускорением деформации, а пластичность может не меняться или тоже повышается.