Основні типи нестійкості пластичної деформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВА РОБОТА

Основні типи нестійкості пластичної деформації



1. Нестійкість і мезоструктурні аспекти пластичної деформації

У багатьох матеріалах спостерігається стрибкоподібна пластична деформація, відома як «ефект Портевена-Ле Шательє» (ПЛШ). Цей вид нестійкості досить докладно досліджений при розтяганні/стиску, крутінні, вигині тощо. Серед особливостей ПЛШ слід зазначити його високу чутливість до умов деформування. Наприклад, зміна швидкості відносної деформації Э усього лише на один-два порядка може призвести до переходу від стійкої течії до преривчастої з послідовною зміною трьох різних типів нестійкості: глобальна втрата стійкості, що безпосередньо передує руйнуванню, зуб текучості та преривчаста текучість (рис. 1).

Рисунок 1 - Основні типи нестійкості пластичної деформації (схема): а - деформаційна крива з зубом текучості; б - фрагменти деформаційних кривих з преривчастою текучістю.

Разом зі стійкою деформацією ці три види нестійкості дозволяють описати будь-яку деформаційну поведінку. Нестійкість виникає як результат перехідних процесів у динамічній системі, якою є деформований матеріал, і на перший план тут виходять сугубо нелінійні ефекти й нерівноважні процеси. З нестійкостями пов'язані різні аномалії механічних властивостей. Нестійкості виникають, коли флуктуації деформації досягають макроскопічних масштабів. Тому перш ніж розглянути різні види нестійкості пластичної деформації, треба зупинитися на загальних поданнях про неоднорідність пластичної деформації, її ієрархії й самоорганізації, а також чітко відокремити поняття: «нестійкість пластичної деформації» та інші подібні або пов'язані з нею явища.



2. Зв'язок мікроструктури й макроскопічної поведінки матеріалів при пластичній деформації

Тривалий час гіпотеза про однорідність пластичної деформації в обсязі деформованого матеріалу досить добре задовольняла вимоги інженерних розрахунків. Проте, встановити остаточний зв'язок між мікроструктурою матеріалу і його макроскопічною поведінкою під навантаженням так і не вдалося. Сьогодні стає зрозумілим, що для цього є принципові обмеження, пов'язані з нелінійністю, сильною нерівноважністю й синергізмом процесу пластичної деформації.

Стосовно пластичної деформації мається на увазі, що, з одного боку, той самий матеріал при різних умовах навантаження може поводитися абсолютно по-різному, а з іншого боку, два зовсім різних по мікроструктурі матеріала можуть поводитися подібно при їх деформуванні. Наприклад, нестійкість пластичної деформації, надпластичність, аномалії коефіцієнтів зміцнення й швидкісної чутливості опору деформування. На різних матеріалах ефекти, пов'язані з розвантаженням і повторним навантаженням металевих зразків у пластичній зоні, ведуть себе подібно [3]. Це ефекти Хаазена-Келлі - поява майданчика текучості на деформаційній кривій після часткового або повного розвантаження металевого зразка при його повторному навантаженні; Кайзера - відсутність акустичної емісії після розвантаження металевого зразка; Баушингера - розбіжність кривих розвантаження й навантаження з утворенням петлі гістерезису. Загальні закономірності процесів накопичення нещільностей і руйнування для різних матеріалів, що включають метали й неметали, також виявляються подібними та незалежними від природи матеріалу й розглянутого масштабного рівня. Все це вказує на принципову неможливість вивчати деякі явища на мікрорівні і на необхідність розглядати й аналізувати структури матеріалів та процеси деформування і руйнування на більш високому рівні.

Сучасна фізика міцності і пластичності розглядає неоднорідність пластичної деформації на різних масштабних і структурних рівнях. Пластична деформація інтерпретується як ієрархічний процес самоорганізації [3]. Неоднорідність деформації, з одного боку, впливає на технологічні властивості (штампуємість, оброблюваність, зварюваність), а з іншого боку, обумовлює експлуатаційні (наприклад, якість поверхні) і механічні властивості матеріалів у виробах (зокрема, з нестійкістю деформації пов'язують виникнення різних аномалій механічних властивостей, що ускладнює вірний прогноз поводження матеріалів у виробах).

2.1 Ієрархія масштабних рівнів пластичної деформації

Безпосереднє спостереження за дислокаціями, які є елементарними носіями пластичної деформації, за їх рухом, а також за лініями і смугами ковзання, вказує, що пластичній течії взагалі властива неоднорідність. Із дислокаціями й точковими дефектами пов'язують мікрорівень пластичної деформації.

Найбільш відомим прикладом макроскопічної неоднорідності пластичної деформації є утворення шийки - локального звуження поперечного перерізу зразка перед руйнуванням. Іншим широко відомим прикладом макронеоднорідності пластичної деформації є смуги Людерса, з утворенням яких пов'язана поява зуба текучості, і смуги деформації, що виникають при преривчастій текучості.

Макроскопічна локалізація деформації у вигляді «шийки, що бігає», яка не призводить до загальної втрати стійкості, спостерігається при надпластичності (доки деформація локалізується в шийці, яка приводить до локального зміцнення, в інших ділянках зразка проходить релаксація напруг, що веде до знеміцнення). У той же час, «шийка, що бігає», характерна для матеріалів, які деформуються при преривчастій текучості, тобто при наявності повторюваних зубців на деформаційній кривій. «Шийка, що бігає» - один з характерних механізмів розповсюдження смуг деформації. Такі смуги поблизу й вище верхньої швидкісної границі прояву преривчастої текучості забезпечують рівномірне подовження зразків без втрати стійкості пластичної деформації. З іншого боку, у деяких випадках надпластичність супроводжується добре вираженою преривчастою текучістю [4].

Крім мікро- і макрорівня сучасна фізика міцності й пластичності виділяє мезо- (від грецького mesos середній, проміжний) рівень пластичної деформації [4].

Мезоскопічна неоднорідність пластичної деформації відома досить давно. Легше за все її виявити шляхом вимірювання локальних подовжень при деформуванні крупнозернистих матеріалів. При цьому спостерігається великий вплив границь зерен, це пояснюється тим, що подовження при переході крізь границю не змінюється стрибкоподібно, а обмежуюча дія поширюється в глибину зерна на деяку відстань. З мезорівнями найчастіше пов'язують дефекти дислокаційного типу й трансляційно-ротаційні вихри (у локальних областях матеріалу розвитку й переміщенню трансляційно-ротаційних вихрів відповідає чергування зсувів і обертів).

Мезорівень - це будь-який рівень між мікро й макро. При цьому макрорівень - це рівень, що відповідає за розгляд об'єкта (або процесу) у цілому; мікрорівень - рівень, що відповідає мінімальним за розмірами елементарним часткам об'єкта, на якому об'єкт ще повністю не втрачає свої характерні риси. Стосовно пластичної деформації макрорівень відповідає за поведінку зразка під навантаженням. Наприклад, при розтяганні зразка макрорівню пластичної деформації відповідає залежність, що описує крива розтягання. При цьому мікрорівень - це рівень, на якому розглядається рух елементарних носіїв пластичної деформації мінімально можливого розміру (дислокації, вакансії та ін).

Таким чином, при розгляді нестійкості пластичної деформації, яка з'являється на деформаційних кривих, що характеризують поведінку зразка в цілому, а також інших особливостей деформаційних кривих будь-яку неоднорідність пластичної деформації відносять до мікро- або мезорівню. Тому, при аналізі нестійкості пластичної деформації, неоднорідності,що сумірні з розмірами зразка, варто відносити до мезорівню й говорити про «мезоскопічну неоднорідність». Проте, якщо об'єктом дослідження є сама неоднорідність пластичної деформації, у випадку, коли підкреслюють, що неоднорідність сумірна з розмірами (товщиною) зразка, або її можна спостерігати без збільшення, виправдане застосування термінів «макронеоднорідність» або «макролокалізація деформації».

2.2 Загальний напрямок розвитку пластичної деформації

Розвиток пластичної деформації супроводжується переходом від більш низьких до більш високих масштабних рівнів, що свідчить про самоорганізацію. У загальному значенні самоорганізація - це зростання радіуса кореляції, тобто збільшення геометричних розмірів області узгодженої поведінки окремих елементів структури.

Показано, що зміна однієї дислокаційної структури іншою визначається розміром середньої скалярної щільності дислокацій р, що зростаючи, при деформації, задає співвідношення різних типів структур у матеріалі.

При розвитку деформації її просторові флуктуації зростають і досягають товщини зразка. З огляду на хвилеподібний характер пластичної деформації іноді говорять про появу «хвиль пластичності». У ряді випадків такі «хвилі» можна побачити неозброєним оком (шийки, смуги Людерса й смуги деформації), і вони можуть бути причиною різних видів нестійкості пластичної деформації. У міру розвитку деформації спостерігається постійне збільшення її масштабного рівня від мікроскопічного, що відповідає переміщенню окремих дислокацій, а потім дислокаційних ансамблів, до макроскопічного, пов'язаного з рухом трансляційно-ротаційних вихрів [5].

Пластична деформація «протікає як багаторівневий релаксаційний процес», що в ізольованому стані припиняється після досягнення певного «граничного» рівня нерівноважності. Тому деформаційні структури характеризуються наявністю передісторії й тривалої післядії або, інакше кажучи, стабільністю структури в ізольованому стані після припинення енергопотоку, що її формує (після зняття навантаження деформаційна структура тривалий час, в основному, зберігається). Визначеність у збільшенні радіуса кореляції при пластичній деформації, її релаксаційний характер і стабільність структур, що формуються, дозволяють розглядати такий процес як термодинамічну самоорганізацію, рушійною силою якої є прагнення до мінімуму надлишкової енергії, пов'язаної зі структурною неоднорідністю.

Релаксаційні процеси навіть на одному масштабному рівні в одній термодинамічній системі можуть істотно відрізнятися. Найбільша відмінність між «швидкою» й «повільною» релаксацією. З термодинамічної точки зору «швидка» релаксація, що призводить до втрати стійкості пластичної деформації, неможлива без наявності критичного зародка макрофлуктуації деформації - мезоскопічної області локалізації деформації, здатної без специфічної зміни зовнішніх умов до мимовільного росту. Для «повільної» релаксації характерні дифузійні механізми, наприклад, процес злиття вакансій і пор [5].

2.3 Нестійкість пластичної деформації та її мікронеоднорідність

Найбільш відомий силовий критерій нестійкості пластичної деформації Консидера для шийки перед руйнуванням записують у вигляді



(1.1)

Якщо у = const·еⁿ, то відповідно до (1.1) втрата стійкості з утворенням шийки перед руйнуванням повинна починатися при е = n, що як правило не виконується. Основною причиною невиконання критерію Консидера, коли в момент утворення шийки у<dу/dе, є деструкція матеріалу, пов'язана з пороутворенням, що призводить до фактичного зменшення площі поперечного перерізу [6].

У критерії Харта для в'язкопластичних матеріалів, що описуються рівнянням

у = const·еⁿ·Э^m,

враховується швидкісна чутливість опору деформування й гранична деформація записується як

(1.2)

Але і цей критерій не виконується, оскільки локалізація деформації може починатися значно раніше, ніж це передбачається формулою (1.2). Наприклад, при надпластичності це проявляється у вигляді «шийки, що бігає», що супроводжується преривчастою текучістю, а потім у вигляді стаціонарної шийки, при розвитку якої деформація тривалий час залишається стійкою, тобто відповідає безперервному зростанню деформуючого зусилля.

Пластичну деформацію описують деформаційними кривими, які визначаються для зразка заданих розмірів. Такі криві є траєкторіями в просторовому стані деформуємого матеріалу. Під нестійкістю пластичної деформації варто розуміти нестійкість рівноважної деформаційної кривої. На таких кривих нестійкість проявляється у вигляді певних особливостей (екстремумів і майданчиків), що свідчать про порушення рівномірності (монотонності) розвитку пластичної деформації.

Під нестійкістю (або втратою стійкості) пластичної деформації слід також розуміти таку поведінку деформуємого під навантаженням тіла, що без специфічної зміни зовнішніх умов приводить до порушення рівномірності (монотонності) накопичення пружної енергії. При обмеженні вільного подовження зразка при розтяганні це призводить до часткового або повного (у випадку руйнування) вивільнення запасеної енергії пружної деформації.

При досить високому розрішені деформаційної кривої завжди спостерігається її нерівність: східчастість або зубчатість, що іноді визначають як нестійкість деформації на мікроскопічному рівні. Проте такі «нерівності» пов'язані з дискретністю природної пластичної деформації на макрорівні, й тому їх варто вважати природними флуктуаціями щодо загальної деформаційної кривої. Власне кажучи, кожний з таких мікрострибків - це початкова мікроскопічна флуктуація щодо загальної деформаційної кривої.

Якщо залежно від часу мікрофлуктуації не зростають, деформацію варто вважати стійкою. Проте якщо різко підвищити локальність і знизити час вимірювання, на фоні загального плавного росту температури будуть спостерігатися її постійні стрибки. Саме це і є флуктуація фона, обумовлена природою процесу передачі тепла й будовою нагріваємої речовини.

Якщо із часом мікрофлуктуація деформації підсилюється та виходить на макроскопічний масштабний рівень (тобто губиться стійкість деформаційної структури на мезорівні), може виникнути нестійкість пластичної деформації, що спостерігається на звичайній деформаційній кривій.

Таким чином, деформація є нестійкою, якщо будь-яка її флуктуація з часом мимовільно зростає до розмірів, сумірних з розмірами деформуємого виробу, з токою швидкістю, що розвиток деформації відхиляється від рівноважної траєкторії (рівноважної деформаційної кривої).

3. Зуб текучості і деформація Людерса

Зуб текучості й смуги Людерса характерні для полікристалічного заліза, а також інших ОЦК-металів (наприклад, молібдену, ніобію, танталу). Смуги Людерса також спостерігаються на монокристалах різних матеріалів, наприклад, міді й сплавів на її основі (системи Cu-Al, Cu-Mn, Cu-Zn), кремнію. Деформація Людерса, тобто деформація, що супроводжується появою зуба й майданчика текучості і яку можна зв'язати з утворенням смуг Людерса, іноді спостерігається у полікристалічних ГЦК-металів.

Зародження смуги Людерса відбувається при напрузі верхньої границі текучості , а її розвиток здійснюється при напрузі нижньої границі текучості . На деформаційних діаграмах наявність верхньої й нижньої границь текучості виявляється як зуб текучості, після якого при напрузі утворюється горизонтальна ділянка деформаційної кривої - майданчик текучості.

Смуги Людерса є макроскопічним проявом локалізації деформації й виникають при одноосному розтяганні внаслідок переміщення уздовж осі розтягання області локалізованої пластичної деформації. Смуги Людерса мають матовий відтінок і добре помітні на полірованій поверхні зразка. Смуги Людерса також віявляються при інших видах навантаження, у тому числі штампуванні, а також у зоні термічного впливу при зварюванні.

Нижня границя текучості , що відповідає напрузі, яка необхідна для поширення смуг Людерса, є більш надійною, ніж , значення якої залежить від якості обробки поверхні, форми й розмірів зразка. При відсутності сильних концентраторів напруг на поверхні або усередині зразка смуга Людерса зароджується в одній з його голтель. При наявності концентраторів, щоб почалось утворення смуги Людерса, потрібні більш низькі зовнішні напруги, і висота зуба текучості, у зв'язку з дією концентраторів, зменшується майже до повного зникнення. Поширення деформації Людерса відбувається при постійному навантаженні, що викликає на деформаційних кривих при випробувані зразків на розтягання появу майданчика текучості. Коли смуги Людерса з'являються вздовж усього зразка, майданчик текучості закінчується й на кривій «напруга-деформація» утворюється ділянка деформаційного зміцнення. Але сам процес зміцнення починається з появою деформації Людерса - зміцнення одночасно з деформацією локалізується у вузькому фронті смуги Людерса таким чином, що зміцнена зона зразка починається слідом за фронтом, що рухається.

Під час деформації Людерса пластична деформація локалізується саме у фронті смуги Людерса, ширина якого для полікристалів відповідає декільком діаметрам зерна. Розрахунки методом кінцевих елементів показують, що фронту смуги Людерса відповідає концентрація напруг 50%. Це забезпечує просування фронту локалізованої деформації й призводить до розширення смуги Людерса при деформувані шляхом малих стрибків, що дорівнюють розміру зерна. Стан границь зерен впливає на деформацію Людерса. Електронномікроскопічні дослідження показали, що деформація Людерса може зникнути, якщо попередня обробка робить неможливим вихід дислокацій на границі зерен [7].

Зуб текучості може утворюватися в трьох випадках [7].

1. Якщо с₀=0 (с₀ - загальна початкова щільність дислокацій). Текучість починається, коли прикладена напруга досягає значення, при якому дислокації починають генерувати в бездислокаційних решітках. Цю ситуацію можна спостерігати на металевих ниткоподібних монокристалах.

2. Якщо L₀=0, с₀>0 (L₀ - щільність рухливих дислокацій до початку розтягання). Ця умова, що не вимагає початкової відсутності дислокацій, а тільки їх блокування (зазвичай домішковими атмосферами), виконується на сталях. Текучість настає у двох випадках: розблокування вихідних дислокацій й утворення нових дислокацій.

3. Якщо L₀>0. Падіння напруги може бути пов'язане зі збільшенням кількості рухливих дислокацій.

У реальній ситуації можливо одночасне протікання процесів розблокування дислокацій, збільшення кількості рухливих і генерації нових дислокацій. Наприклад, для зістареного кристала текучість може початися з розблокування дислокацій при і тривати на спадаючій ділянці кривої у - е завдяки збільшенню дислокацій.

Помилково вважати, що в макромасштабі смуги Людерса розповсюджуються під кутом 45? до осі розтягання зразка, тобто в напрямку дії максимальних напруг. У полікристалах утворенню, як шийки, так і смуг Людерса, а також смуг деформації, відповідає макролокалізація пластичної деформації, що неминуче приводить до реалізації об'ємного напруженого стану. Таким чином розташування областей локалізації визначається не максимальними дотичними напруженнями, а інтенсивністю напруг у_и, які пропорційні дотичному напруженню ф_окт. Шийка, смуги деформації або смуги Людерса проходять уздовж лінії, що становить із напрямком осі розтягнення кут 54,7?. Дійсно, якщо відповідно до критерію Мізеса

(1.3)

( - напруга течіння при одноосному розтягненні) та враховуючи, що

, (1.4)

можна підставити (1.3) в (1.4), дати наступне тлумачення критерію Мізеса: пластична деформація починається в октоедричних площинах у момент досягнення октоедричними дотичними напругами ф_окт постійного значення у_т.

Таким чином, розташування смуг Людерса, а також смуг деформації при преривчастій текучості й шийки перед руйнуванням визначає критерій Мізеса [8].

Розмір зуба текучості сильно залежить від температури Т і швидкості розтягнення Э_0. Так зі збільшенням Т та зменшенням Э₀ його величина поступово знижується до повного зникнення. Підвищення Т і зниження Э₀ приводить також до зменшення довжини майданчика текучості. Подальше збільшення Т і зменшення Э₀ викликає переривчасту текучість, температурно-швидкісна область прояву якої може частково накладатися на область існування зуба й майданчика текучості, однак, в цілому, відповідає більш високим температурам і низькій швидкості деформації.



4. Преривчаста текучість

Преривчаста текучість (ПТ), що зветься також стрибкоподібною деформацією, на деформаційних кривих виглядає як зубці - періодичне падіння навантаження, при дослідженнях на «жорстких» випробувальних машинах з постійною швидкістю деформування Э₀ = const (мається на увазі постійна швидкість переміщення активного захвата, наведена до початкової довжини зразка) - ефект Портевана-Ле Шательє; стрибків деформації (східців) при дослідженнях на «м'яких» випробних машинах з постійною швидкістю навантаження у₀ = const (тобто постійна швидкість збільшення навантаження, наведена до початкової площі поперечного перерізу зразка) - ефект Савара-Масона.

Розрізняють низькотемпературну (при температурах рідкого гелію, водню, азоту) і високотемпературну (при температурах 0,3 - 0,4 від температури плавлення) преривчасту текучість.

Аналіз великої кількості публікацій дозволяє виділити ряд загальних закономірностей прояву ПТ для різних матеріалів і різних температур (звичайних і наднизьких). Насамперед, це свідчить про те, що механізм ПТ контролюється не на мікро-, а на більш високих мезо- і макрорівні. Нижче коротко викладені основні з цих закономірностей [9].

1. ПТ, як високотемпературна, так і низькотемпературна, не пов'язана із двійникуванням, спостерігається на металах з різною кристалічною решіткою (ГЦК, ГПУ й ОЦК), що містять певну кількість домішок. До того ж домішкові атоми можуть утворювати як розчини впровадження, так і розчини заміщення. Сплави, на яких спостерігається ПТ, можуть бути як однофазними, так і багатофазними. У той же час, низькотемпературна ПТ, пов'язана із двійникуванням, спостерігається на дуже чистих металах. Таким чином, необхідною умовою появи ПТ на металевих матеріалах є ускладнене ковзання, чому в першу чергу сприяють домішкові атоми, а також наднизькі температури. У той же час ПТ проявляється на матеріалах, для яких механізм дислокаційного ковзання не є характерним або можливим, наприклад, на полімерних матеріалах.

2. Високотемпературна ПТ в полікристалах пов'язана з макролокалізацією пластичної деформації. На монокристалах, що були деформовані у режимі ПТ, також відзначають локалізацію деформації, з якою пов'язують утворення стрибків напруги. З низькотемпературною ПТ пов'язують також і локалізацію деформації, проявом якої в полікристалах є некристалографічні смуги деформації, аналогічні високотемпературній ПТ.

3. Характер ПТ залежить від типу навантаження: при постійній швидкості навантаження у₀ = const або при постійній швидкості деформування Э₀ = const. У першому випадку релаксаційні процеси викликають різке падіння напруги при досить малому збільшенні довжини зразка, а в іншому - швидке збільшення довжини зразка при постійній прикладеній напрузі. Характерно, що залежності у - е, одержані при у₀ = const й Э₀ = const не еквівалентні одна одній.

Локалізація деформації ПТ при розтяганні з Э₀ = const проявляється у вигляді окремих смуг деформації, які відрізняються від смуг Людерса тим, що смуги деформації, охоплюючи весь перетин зразка, не розширюються. При розтяганні у₀ = const релаксація напруг неможлива, область локалізації деформації розширюється подібно смузі Людерса по всій довжині зразка, поки його зміцнення не зупинить розвиток локалізованої деформації.

Особливо режим навантаження впливає на характер кривої розтягання й механічі властивості в умовах низькотемпературної ПТ. Таким чином, при наднизьких температурах при деформуванні в режимі у₀ = const вже перша нестійкість при відносному подовженні усього в 1% викликає руйнування всього зразка, у той час як при навантаженні того ж матеріалу на «жорсткій» машині (Э₀ = const) нестійкість деформації буде мати регулярний характер і руйнування настає при відносному подовженні у кілька десятків відсотків.

4. При звичайній і низькотемпературній ПТ спостерігаються різні типи зубчастості, що залежать від швидкості деформації (Э₀) і температури (Т). Зазвичай розрізняють зубці типу А,В і С. Перехід від одного типу зубців до іншого здійснюється послідовно при зменшенні швидкості деформування або підвищенні температури. Загальна тенденція зводиться до того, що з підвищенням Э₀ (зниженням Т) частота зубців спочатку різко зростає, а потім знижується, а їхня величина зменшується монотонно.

5. При ПТ стрибки напруги на деформаційній кривій при постійній швидкості розтягання обумовлені тим, що швидкість деформації зразка під час стрибка різко зростає в порівнянні зі швидкістю розтягання. Завдяки пластичній деформації е_b у смузі ступінь деформації зразка в середньому зростає на величину , де відношення ширини смуги w до довжини зразка l показує ступінь локалізації деформації. Це повинне було б викликати падіння напруги на величину

, (1.5)

де М - ефективний модуль пружності системи «зразок-машина». Але при утворенні смуги і швидкості деформування Э₀ за рахунок збільшення відстані між захватами випробної машини також відбувається зростання напруги на величину Э₀М. Тоді, фіксоване на діаграмі розтягання спадання напруги

(1.6)

З огляду на (4.1) і те, що , де - швидкість деформації в смузі, одержуємо вираз для величини падіння напруги при утворенні однієї смуги деформації:

(1.7)



Виходить, що максимальна швидкість деформації, при якій буде спостерігатися ПТ, визначається ступенем локалізації деформації й швидкістю деформації в смузі. Такий ефект називають компенсаційним впливом швидкості деформування [9].

6. На характер низькотемпературної і високотемпературної ПТ впливає масштабний фактор (розміри зразка). Такий вплив, насамперед, обумовлений зміною залежності геометрії зразків від параметрів локалізації деформації при ПТ, а також (при низькотемпературній деформації) умов тепловідведення. Товщина зразка, визначає ширину смуг деформації і остатоточно впливає на величину зубців ПТ, що пропорційна товщині зразка. Тобто від товщини зразка залежить форма кривої розтягання при ПТ [9].

За низьких та звичайних температур на характер ПТ істотно впливає розмір зерна, що обумовлено його залежністю від величини мікро- й мезоструктурних механізмів деформації, які впливають на зародження й ріст смуг деформації.

7. З преривчастою текучістю пов'язані різні аномалії механічних властивостей.

ПТ спостерігається в одному інтервалі швидкостей деформування Э₀ разом з зменшенням деформуючого напруження з зростанням Э₀. Це явище називають негативною або аномальною чутливістю опору деформування або негативною швидкісною чутливістю (ШЧ).

Разом з явищем негативної ШЧ в області ПТ виявляється аномальна температурна залежність опору деформування при постійній Э₀ з підвищенням температури Т напруга течії, умовна межа текучості (слід розрізняти умовну та фізичну межу текучості, оскільки ПТ може виникнути раніше умовної, але не раніше фізичної межі текучості) і межа міцності зростають або практично не змінюються.

В області ПТ може спостерігатися аномальна пластичність: підвищення міцності з зростанням температури Т (зменшенням Э₀), як правило, веде до зменшення пластичності, що характерно для сталей, алюмінієвих і титанових сплавів. Для сталей зменшення пластичності й підвищення межі міцності було виявлено у температурному діапазоні 250-300єС, що супроводжується появою окисної плівки синього кольору на поверхні стальних зразків. Це явище називають синьоламкістю [10].



5. Побудова загальної теорії нестійкості пластичної деформації

В останні роки з'явились теорії, в яких ПТ та зуб текучості розглядають як результат колективної самоузгодженої взаємодії дислокаційних ансамблів різного типу один з одним і з домішковими атомами. У цьому випадку зазвичай аналізують диференціальні рівняння, які описують зміну швидкості та щільності дислокацій, а також концентрацію точкових дефектів. Сумісне розв'язання системи нелінійних рівнянь узгодженої дислокаційної поведінки та рівняння, що описує режими активного навантаження, дозволяє змоделювати різні типи деформаційних кривих, а також переривчасту текучість і зуб текучості.

Роблячи узагальнення для рівня локалізації деформації, тобто мезоскопічного рівня, можна відокремити загальні закономірності, що характерні для усіх видів нестійкості пластичної деформації: (1) локальне зростання швидкості деформації; (2) локальне зміцнення; (3) локальна концентрація напруг; (4) приріст поверхні через локалізацію деформації; (5) локальна зміна геометрії.

З огляду на ці фактори, М.М. Криштал запропонував теорію, яка описує основні види нестійкості пластичної деформації для різних матеріалів і температур (наднизькі і звичайні) [3]. У рамках цієї теорії складене мезоскопічне рівняння стійкості пластичної деформації:

(1.8)

Рівняння є нелінійним диференційним рівнянням другого порядку, яке при певних сполученнях його параметрів може мати чотири рішення: стійкий стан (макрооднорідна рівномірна деформація); глобальна втрата стійкості (відповідає зниженню навантаження на деформаційній кривій при утворенні шийки перед руйнуванням); перехід з одного положення рівноваги в інше (зуб текучості); стійкий граничний цикл із самозбудженням, що проявляється у вигляді нелінійних автоколивань як ПТ.

На підставі викладеного підходу описують взаємозв'язок між нестійкою пластичною деформацією різного типу і явищами, що її супроводжують (рис. 1.2).

Щодо ПТ, то згідно схеми, мікрострукурні процеси - є причиною виникнення критичного зародка флуктуації деформації, надкритичне зростання якої призводить до макролокалізації деформації, що в свою чергу, веде до втрати стійкості і появи зубців ПТ. Наслідком цього стає зниження опору деформації і його швидкісної чутливості, що у ряді випадків приводить до негативної швидкісної чутливості. Також через зниження опору деформації може виникнути аномальна нульова або позитивна температурна залежність опору деформації.

Рисунок 2 - Схема причино-слідчих зв'язків при виникненні нестійкої деформації різного типу та явищ, що їх супроводжують

Нестійкість і неоднорідність пластичної деформації - це універсальні взаємозв'язані явища, характерні для переважної більшості пластичних матеріалів, що істотно відрізняються по мікроструктурі. Виявлення загального для різних матеріалів механізму цих явищ неможливе на мікрорівні і вимагає переходу до вищого масштабного рівня, яким є мезоскопічний рівень локалізації деформації.

людерс пластичний деформація метал



6. Дислокаційні структури при циклічній деформації металів

У практичному житті вироби рідко зазнають критичні статичні навантаження або навантаження, які монотонно збільшуються і характеризуються межою текучості або межою міцності. Як правило, вироби знаходяться під навантаженнями, які змінюються з часом за складним законом, внаслідок циклів навантаження, розвантаження і деформацій різного знаку. Поступове накопичення пошкоджень в металі під дією циклічних навантажень, що приводять до руйнування при напрузі менше, ніж статична межа міцності у_UTS, називають втомою, а властивості матеріалу чинити опір втомі - витривалістю. Саме руйнування при втомі веде майже до 90% промислових аварій і катастроф. Це явище дуже багатопланове і в інженерному, і у фундаментально-науковому аспектах, що включає таке коло питань, як випробування на втому, характеристики втоми, оцінка і прогнозування витривалості, опис і діагностика зародження і розповсюдження мікро- і макротріщин.

Стисло розглянемо основні методи випробувань на втому. Умовно їх можна поділити на дві категорії відповідно до двох основних стадій руйнування при втомі: якщо розглядати зразок, як такий, що не містить тріщин, то втомне життя визначається двома характерними стадіями: часом зародження тріщини і часом розповсюдження тріщини. При відносно малих навантаженнях (деформаціях), коли число циклів до руйнування досить велике, витривалість визначається часом зародження тріщини, і такі випробування, як правило, проводять в режимі постійної прикладеної амплітуди напруги Ду_а/2 (рис. 1.3) оскільки деформації при цьому малі (<10--^-5), і виміряти їх з достатньою точністю важко. Якщо утворення тріщин або повне руйнування відбувається при числі циклів понад 5Ч10⁴, така втома називається багатоциклічною, при меншому числі циклів - мало циклічною. Найповнішу інформацію про поведінку матеріалу при циклічній деформації містить петля гістерезису, форма і площа якої змінюється в процесі навантаження через зміну структурного стану матеріалу [11].

6.1 Циклічний відклик і формування дислокаційних структур

Розглянемо характерні особливості формування дислокаційних структур при циклічному зміцненні монокристалів ГЦК металів, орієнтованих для легкого ковзання за даними просвічувальної електронної мікроскопії (ПЕМ).

Рисунок 3 - Петля гістерезису та її основні параметри

У перших циклах деформації петля гістерезису досить широка. Дислокаційна структура (рис. 4) на цій стадії подібна до структури на ранній стадії монотонного навантаження: спостерігаються окремі дислокації у вигляді прямолінійних відрізків і петель, які збираються в клубки і конфігурації, подібні до ячеєк, - так звані слаборазорієнтовані структури. Щільність ліній ковзання збільшується під час деформації, але загальна картина не змінюється доки не настає насичення, тобто до моменту максимуму в_Е. У цей момент відбувається вихід першої, так званої, стійкої смуги ковзання (ССК) на поверхню. Петля гістерезису після цього починає знов розширюватися. Більш-менш грубі ССК легко помітні на тлі тонких ліній ковзання (рис. 1.4 d-f). ССК отримали назву стійких тому що, після електролітичного полірування та при подальшому навантаженні вони знов з'являються в тих самих місцях, що свідчити про переважну локалізацію деформації в ССК. При насиченні практично вся пластична деформація зосереджена в ССК. Їх щільність зростає, і вони поступово заповнюють робочу частину зразка [12].

Були підведені підсумки численних спостережень за допомогою ПЕМ, завдяки яким встановили наступну схему утворення «венозної» структури на стадії швидкого циклічного навантаження:

Рисунок 4 - Крива циклічного деформаційного зміцнення

- Протягом перших декількох циклів знакозмінного навантаження генеруються дислокації в первинній системі ковзання, і результуюча дислокаційна структура практично нічим не відрізняється від структури при монотонному навантаженні.

- Майже однакова кількісь позитивних і негативних краєвих дислокацій генерується при повністю зворотньому циклічному навантаженні. Дислокації протилежного знаку найчастіше зустрічаються при деформації і розташовуються у паралельних площинах ковзання. На малих відстанях така взаємодія приводить до утворення стійких дислокаційних конфігурацій - диполів. Дипольні структури створюються краєвими дислокаціями, оскільки гвинтові компоненти мають можливість анігіляції за рахунок поперечного ковзання при достатньо високій енергії дефекту упаковки. Процес взаємодії краєвих дислокацій триває доки дислокаційна структура не стає цілком впорядкованим дипольним утворенням - так званою «венозною» структурою (рис. 4).

- Детальні ПЕМ-дослідження показали відсутність розворотів кристалічної решітки між сусідніми каналами, що дозволяє стверджувати, що середній вектор Бюргерса у венах близький до нуля завдяки однаковому числу позитивних і негативних краєвих дислокацій. Таким чином, «вени» не виробляють дальнодіючих полів пружної напруги і є добре організованою, стабільною низькоенергетичною структурою. У цьому полягає одна з найбільш характерних відмінностей монотонної і циклічної деформації: при малих амплітудах прикладених циклічних деформацій не створюються дальнодіючи поля напруги, тобто напруга в дипольних структурах у венах більш близькодіюча, ніж та, що виникає від дислокаційних скупчень. Відсутність дальнодіючої напруги у втомних структурах була підтверджена рентгенівськими вимірюваннями по відсутності розширення рентгенівських ліній.

- При тривалій циклічній деформації накопичення дислокацій відбувається у вигляді зв'язаних дислокаційних диполів, які створюють сітки у вигляді вен.

- «Вени» витягнуті уздовж ліній дислокацій в первинних системах ковзання та мають рівноосну форму в перпендикулярному напрямі. «Вени» розділені каналами, в яких щільність дислокацій відносна мала. Ширина «вен» 1,5 мкм. при деформації при 20?С. Падіння температури сприяє диспергуванню тонкої структури.

- Венозна структура формується на стадії швидкого зміцнення при втомі. При збільшенні кількості циклів збільшується і щільність дислокацій у «венах», і об'ємна частка вен, що досягає 50%. У вільних від дислокацій областях між венами гвинтові компоненти мають можливість пересуватися практично вільно в обох напрямах залежно від знаку прикладеної напруги, і саме таке ковзання і є основним механізмом пластичної деформації в подібних структурах.

6.2 Сучасні методи спостереження структури і дислокаційних структур при втомі монокристалів

Дуже зручним новим методом, надодаток до ПЕМ, для спостереження дислокаційних структур в ході деформації, є так званий Electron Channel Contrast Imaging (ECCI), що є, по суті, різновидом методів спостереження дифракції відбитих електронів і що дозволяє спостерігати дислокаційну структуру в поверхневому шарі масивного зразка в колоні скануючого (растрового) електроного мікроскопа (РЕМ). Були вивчені дислокаційні структури в циклічно деформованих монокристалах міді і Fe-30%Cr, що мають різну кристалографічну орієнтацію. Вони є орієнтаційно-залежними і визначаються особливостями міждислокаційної взаємодії в активних системах ковзання [13]. Тоді як ССК і вени є основними елементами структури монокристалів, орієнтованих для легкого ковзання (вісь [123]), у разі багатостадійного ковзання лабіринтова структура утворюється в кристалах, що мають вісь навантаження уздовж напряму [100], а в [111] - орієнтованих кристалах спостерігається східчаста структура. Сильну локалізацію деформації спостерігають в смузі [110] - орієнтованих монокристалів. При збільшенні видно, що дана смуга, перпендикулярна плоскості первинного ковзання, утворена сильно кластеризованим ковзанням, а навколо смуги спостерігається слоборазорієнтована ячеїста структура.

Рисунок 5 - Дислокаційні конфігурації у венах (а) і стійкі смуги ковзання (ССК) (b) в циклічно деформованих ГЦК металах



7. Фізичні процеси і структурні зміни, що протікають при програмному навантажуванні

Виходячи з уявлень про дефекти кристалічної решітки і наявності спектру критичної напруги початку руху дислокацій, для релаксації локальних перенапружень і заліковування структурних неоднорідностей дифузійним і мікрозсувним механізмами запропоновано проводити відпал, відпуск, старіння матеріалів і виробів з них під плавно і повільно зростаючим навантаженням в макропружній області деформації в умовах за температурною і силовою схемою близьких до експлуатаційних. При навантажуванні повинна додержуватись умова постійної рівності між внутрішнім опором деформуванню матеріалу та прикладеним зростаючим навантаженням, тобто сталість швидкості деформації, що забезпечує вихід у пружній зоні деформації на рівень напружень, вищий за межу текучості при звичайному деформуванні. Такий механіко-термічний вплив отримав назву програмного навантажування, а зміцнення, що досягається при цьому, називають програмним зміцненням. При програмному навантажуванні, завдяки повільно зростаючому навантаженню, з одного боку, виявляється повний спектр слабких місць, з іншого - за певної температури і швидкості деформації відбувається зміцнення цих місць за рахунок дифузійного потоку крапкових дефектів, часткового перерозподілу, закріплення і анігіляції деяких дислокацій [14].

Основна умова реалізації програмного характеру навантажування полягає в безперервному дотриманні на кожному рівні навантаження рівності між зростаючим зовнішнім зусиллям і внутрішнім опором матеріалу деформуванню, що проявляє себе в постійності швидкості деформації протягом усього часу програмування.

Умови програмного навантажування істотно залежать від структурного стану, рівня внутрішніх напруг в матеріалах. Найбільше зміцнення досягається в матеріалах технічної чистоти з низьким рівнем залишкової напруги. Підвищення ступеня зміцнення чистих металів і виробів з них, а також скорочення часу програмного навантажування можливе за рахунок попереднього збільшення точкових дефектів гартуванням, опромінюванням. У разі потреби зміцнення нерівноважних матеріалів і сплавів, наприклад старіючих сплавів, температура і швидкість програмного навантажування повинні відповідати у кожен момент часу умовам рівності між зовнішньою силою і зростаючим під час старіння сплавів опором деформуванню. До того ж зміцнення слабких місць кристала здійснюється, окрім звичайного дифузійного перерозподілу дефектів до границь розділу і дислокацій, ще й завдяки утворенню вторинних дрібнодисперсних фаз в найбільш слабких областях решітки.

Задля визначення оптимальних умов програмного навантажування кристалічних матеріалів можна використовувати дані температурно-швидкісної залежності їх межі текучості. Температурний інтервал програмного навантажування обмежується умовою інтенсивного протікання дифузійного і мікрозсувного механізмів релаксації напруги з утворенням стійкого комплексу навколо дислокацій, біля границь зерен, блоків та інших недосконалостей за рахунок спрямованої дифузії крапкових дефектів, а також шляхом перерозподілу дислокацій в зоні дії пружних напружень. Через високі температури навантажування дифузійні процеси прискорюються, але ефект програмного зміцнення зменшується, оскільки знижується вірогідність утворення стійких комплексів на дислокаціях. Зі зменшенням температури дифузійні процеси пригнічуються і основну роль в зміцненні кристалів при програмному навантажуванні починають грати мікрозсувні процеси перерозподілу дислокацій і вихід дислокацій з малою стартовою напругою на вільну поверхню або інші границі розподілу.

Слід зазначити, що для вибору оптимальних режимів програмного зміцнення використовуються не тільки закономірності зміни межі текучості від температури і швидкості навантажування, але і таких характеристик, як внутрішнє тертя, електроопір і інші параметри, однозначно пов'язані із швидкістю і ступенем протікання фізичних процесів, що формують комплекс властивостей зміцнюваних матеріалів.

Програмне навантажування у вигляді відпалу під плавно зростаючим навантаженням, що не викликає зародження нових дислокацій, є однією з можливостей підвищення структурної досконалості масивних монокристалів. Електронномікроскопічні, рентгеноструктурні та інші методи дослідження однозначно свідчать про те, що на відміну від звичайного механічного наклепу, програмне навантажування не супроводжується збільшенням ступеня викривлення решітки, а навпаки, перерозподіл дефектів, що з'являються на ранній стадії деформації, і релаксації локальних перенапружень в об'ємі досліджуваних матеріалів при програмному навантажуванні сприяють створенню однорідної, термодинамічно і механічно стійкої структури по відношенню до дії сил, нагріву та радіаційного опромінювання. Підвищення структурної досконалості і одночасне поліпшення міцносних характеристик кристалічних тіл виявилося можливим лише в процесі програмного навантажування при помірних температурах, коли відбувається зменшення щільності рухомих частинок спектру дислокацій за рахунок їх виходу на границі розподілу або завдяки закріпленню крапковими дефектами .

До основних механізмів, відповідальних за підвищення ступеня структурної досконалості при програмному навантажуванні, відноситься ряд процесів дифузійної і мікрозсувної релаксації напруги і зміцнення, що протікають вже в макропружній області навантаження [15].

Зміна конфігурації дислокацій і щільності центрів закріплення. У наслідку зсуву центрів закріплення дислокацій і взаємодії вільних довгих сегментів з крапковими дефектами і новими стопорами в навантажених кристалах кривизна і довжина сегментів з часом змінюються. Дифузія центрів закріплення уздовж дислокацій сприяє розширенню довгих сегментів і зниженню критичної напруги їх відриву, а зустріч з крапковими дефектами і утворення нових центрів закріплення приводить до скорочення довжини сегментів і до зміцнення. Цей процес супроводжується зменшенням енергії системи, оскільки зростання енергії через збільшення загальної довжини дислокацій менше, ніж величина її зниження за рахунок взаємодії дислокацій з крапковими дефектами, впорядкування атомів домішок і вакансій поблизу дислокацій.

Перерозподіл дислокацій в місцях їх скупчень біля перешкод. Серед механізмів, відповідальних за програмне зміцнення, особливу роль грають процеси зародження і зсуву окремих дислокацій біля границь зерен, фаз виділень, у вершин клиновидних двійників, мікротріщин і в місцях скупчень дислокацій, що супроводжується релаксацією напруги і стабілізацією дефектної структури в цих областях. Дислокації, що утворились через малі швидкості збільшення зовнішнього навантаження, встигають «обрости» атмосферами з крапкових дефектів або блокуватися частинками виділень, внаслідок чого скорочується їх ефективна довжина і підвищується стартова напруга зсуву.

Зниження щільності дислокацій. В умовах повільного навантажування процес мікродеформації може здійснюватися завдяки руху наявних та нових дислокацій, що зароджуються на ранніх стадіях, спільно з домішковими атмосферами. Особливо виразно цей процес спостерігається при програмному навантажуванні зразка, що містить одиничний двійниковий прошарок, що розвивається. Про дію механізму очищення кристала від домішок підчас руху границь двійника свідчить зниження залишкового електроопору і підвищення пластичності у передвійникового за всім обсягом кристала. Ці механізми були покладені в основу ідеї про можливість здійснення зонного очищення металу без плавлення шляхом послідовного передвійникування кристала за рахунок розвитку одного двійника в режимі програмного навантажування [14].

Відомо, що міцносні і пластичні характеристики кристалів визначаються не стільки загальною щільністю дислокацій, скільки кількістю рухомих дислокацій. «Виснаження» рухомих дислокацій досягається як виходом їх на поверхню або взаємною анігіляцією, так і шляхом закріплення крапковими дефектами і комплексами. Цей вид «виснаження» рухомих дислокацій в кристалах грає головну роль в підвищенні опору деформації в процесі відпалу в режимі програмного навантажування при помірних температурах. При більш високих температурах із-за великої дифузійної рухливості атомів домішок і розпаду комплексів крапкових дефектів механізм виснаження рухомих дислокацій за рахунок їх закріплення виявляється слабо.

Заліковування і розчинення пор і мікротріщин. Дифузійні механізми заліковування порушень суцільності під навантаженням описані в багатьох роботах [15]. Цей процес енергетично вигідний і може грати важливу роль в підвищенні міцності і зниженні схильності до крихкого руйнування при механико-термічній обробці. Суть механізму заліковування і зростання порожнин в навантажених матеріалах полягає в емісії порою або мікротріщиною дислокаційних петель вакансійного або міжвузельного типу. У першому випадку пора розчиняється, в другому - росте. Отримані значення порогової напруги процесу заліковування пор вказують на можливість його прояву в окремих місцях програмно зміцнюваного матеріалу. Заліковування пор повинне супроводжуватися виникненням великої кількості дислокаційних петель вакансійного типу, що спостерігається у програмно навантажуванних матеріалів в місцях скупчення дислокацій, біля границь зерен і ячеєк [16].

7.1 Вплив програмного навантажування на розвиток процесів релаксації напруги

Зсувна пластична деформація кристалічних тіл визначається перш за все індивідуальними властивостями дислокацій. Дослідження динамічної поведінки дислокацій дають достатньо повну інформацію про взаємодію рухомих дислокацій як з кристалічною решіткою, так і з її дефектами. З цієї точки зору дислокації можна використовувати як чутливий індикатор структурного стану кристала, що дозволяє оцінювати величину локальної внутрішньої напруги, визначати величину потенційних бар'єрів, закономірності їх розподілу в площині ковзання.

...