Основні типи нестійкості пластичної деформації

За характером зародження дислокацій і еволюцією дислокаційної структури можна робити висновки про ступінь однорідності структури кристала. З цієї точки зору представляють інтерес дослідження впливу програмного навантажування на еволюцію дислокаційної структури і рухливість дислокацій в монокристалах з використанням методу виборчого травлення. За величиною стартової напруги і довжиною вільного пробігу дислокацій під дією прикладеного навантаження можна судити про висоту і розподіл потенційних бар'єрів, що перешкоджають руху дислокацій в площині ковзання кристала. Вплив програмного навантажування на рухливість свіжих дислокацій проявляється в їх блокуванні і в підвищенні динамічного опору руху дислокацій. Якщо свіжі дислокації вводяться після програмного навантажування, то в основному виявляється ефект підвищення динамічного опору, оскільки статичне блокування дислокацій не встигає відбутися за час від їх введення і до навантаження.

Для виявлення ефекту закріплення свіжих дислокацій в процесі програмного навантажування визначалася стартова напруга дислокацій, введених в кристал до програмного навантажування. Ефект статичного блокування дислокацій при старінні під плавно зростаючим навантаженням істотно більше величини приросту динамічного опору руху дислокацій. Збільшення динамічного опору може бути наслідком вирівнювання висот потенційних бар'єрів в площині ковзання за рахунок виникнення при старінні під навантаженням впорядкованої сітки домішкових і вакансійних комплексів, які створюють більший динамічний опір руху дислокацій, ніж окремі довільно розподілені крапкові дефекти. З іншого боку, відхід атомів домішок і вакансій в комплекси відповідає очищенню матриці і збільшенню рухливості дислокацій між бар'єрами [2].

Оскільки стартова напруга дислокацій в процесі програмного навантажування підвищується, то зростання швидкості дислокацій після програмування слід пояснити, головним чином, не скороченням часу подолання дислокаціями стопорів, а збільшенням їх руху між стопорами. Це узгоджується з тим фактом, що скупчення крапкових дефектів, що виникають в процесі програмного навантажування, на дислокаціях сприяє очищення матриці від домішок і крапкових дефектів і збільшенню відстані між бар'єрами.

Таким чином, підвищення ступеня досконалості і структурної однорідності кристалів в результаті програмного навантажування призводить до зростання стартової напруги дислокацій, звуження спектру дислокацій по стартовій напрузі і до збільшення рухливості дислокацій.

Вплив режиму програмного наванажування на розвиток процесів ковзання і двійникування при подальшій статичній деформації стискуванням детально вивчався на кристалах фтористого літію, кальцію, берилію [14]. Оскільки програмне навантажування супроводжується релаксацією локальних перенапружень і підвищенням структурної однорідності, воно призводить до збільшення напруги початку гетерогенного зародження дислокацій, з одного боку, і до полегшення процесу розмноження дислокацій по механізму поперечного ковзання із-за очищення матриці кристала, з іншого.

Якщо для початкових зразків характерне плавне збільшення кількості «свіжих» дислокацій із зростанням напруги, то у програмно зміцнених слід відзначити як підвищення напруги початку розмноження дислокацій, так і різке зростання швидкості їх розмноження. Це явище - приклад збільшення ступеня зародження дислокацій у програмно навантажуваних кристалів унаслідок підвищення структурної однорідності кристала і зростання критичної напруги початку роботи джерел дислокацій.

Про релаксацію перенапружень і підвищення сруктурної однорідності в процесі програмного навантажування свідчить зміна дислокаційної структури тих місць кристала, де заздалегідь були штучно створені локальні перенапруження уколом індентора приладу ПМТ-3. При програмному навантажуванні кристалів з уколами (ще в пружній області) відбувається емісія дислокацій з променів дислокаційної розетки. При подальшому швидкому навантажуванні цих кристалів смуги ковзання виникають одночасно в зоні відбитку (уколу) і по всій довжині поверхні. У початкових же кристалів зародження дислокацій і виникнення смуг ковзання має місце перш за все в районі уколу і при дуже малих навантаженнях.

Відомо, що метали, які мають гексагональну щільноупаковану решітку, відрізняються високим ступенем анізотропії фізико-механічних властивостей. Особливо різко анізотропія виражена у берилія. Показано, що в процесі відпалу під поволі зростаючим навантаженням в монокристалах берилія відбувається перерозподіл атомів домішок з одних кристалографічних площин на інші. В результаті цього процесу реєструється неоднаковий вплив програмного навантажування на величину критичної сколюючої напруги початку різних видів ковзання і зміну величини анізотропії опору пластичної деформації. Чим більше відношення значень критичної сколюючої напруги призматичного і базисного ковзання, тим більше ступінь анізотропії опору пластичній деформації.

Неоднаковий вплив програмного навантажування на опір деформації ковзанням і двійникуванням в різних кристалографічних площинах і як, наслідок, зміну ступеню анізотропії деформації, можна пояснити тим, що при відпалі кристалів під навантаженням відбуваються процеси перерозподілу атомів домішок (крапкових дефектів) з кристалографічної площини з більшою їх концентрацією на базисну площину. Відомо, що стійкі двійникові прошарки в кристалах утворюються переважно в місцях локальних концентрацій напруги. Перерозподіл домішок і інших дефектів решітки в енергетично вигідні місця, релаксація напруги за рахунок мікрозсувів, що відбуваються в процесі програмування - одна з причин підвищення критичної напруги двійникування кристалів [16].

7.2 Вплив програмного навантажування на властивості матеріалу

Оскільки основним механізмом зміцнення при програмному навантажуванні є взаємодія дислокацій з крапковими дефектами і їх комплексами, то можна було чекати, що створення нерівноважної концентрації крапкових дефектів або їх безперервне генерування повинні збільшувати ефекти програмного зміцнення. Дійсно, експерименти із загартованими і опроміненими металами, сплавами, схильними до старіння, а також експерименти, що поєднують програмне навантажування з термоциклуванням, ультразвуковим впливом, підтвердили це припущення.

Програмне зміцнення загартованих чистих металів. Висока дифузійна рухливість вакансій в загартованих металах і їх активна взаємодія зі свіжими дислокаціями дозволили істотно підвищити ефект гартівного зміцнення чистих металів. Для цього виявилося необхідним використання механіко-термічної обробки загартованих металів, яка полягає в тому, що після гарту з передплавильних температур проводиться пластична деформація на малий ступінь і подальше старіння при відносно низьких температурах. Гарт з передплавильних температур в цьому випадку використовується для створення високої концентрації крапкових дефектів в металах, а подальша деформація на малий ступінь (0,2-0,6%) в температурній області незначної дифузійної рухливості і відпал - для енергетично вигідного перерозподілу гартівних дефектів і створення термічно стійкої дефектної структури [14].

Програмне зміцнення опромінених металів. Оскільки при опромінюванні можна отримати скільки завгодно високі концентрації крапкових дефектів, то відкривається можливість підвищення ефекту зміцнення і скорочення циклу програмного навантажування за рахунок поєднання радіаційного впливу і механічного навантаження. На деяких металах була показана висока ефективність зміцнення опромінених зразків при програмному навантажуванні. Програмне навантажування зразків нікелю, міді, алюмінію, титану після опромінювання високоенергетичними електронами, нейтронами підвищує межу текучості у декілька разів при збереженні ресурсу пластичності металів.

При радіаційно-термомеханічній обробці роль опромінювання полягає в створенні нерівноважної концентрації крапкових дефектів, а подальшого відпалу під навантаженням - в направленому перерозподілі дефектів решітки в енергетично вигідне положення.

Зміцнення металів при поєднанні статичного навантаження і ультразвукових коливань. Ультразвуковий вплив є одним з ефектних методів досягнення високої концентрації крапкових дефектів і щільності дислокацій. Залежно від інтенсивності звукових коливань в кристалах можливі різні структурні зміни, що впливають на їх фізико-механічні властивості як в процесі ультразвукової обробки, так і після її припинення. Пропускання ультразвукових коливань через кристал збільшує енергію дислокацій, активує джерела дислокацій. В результаті цього при поєднанні статичного навантаження і ультразвукового впливу спостерігається істотне зниження опору деформації кристалічних тіл, а при випробуваннях після інтенсивної ультразвукової обробки матеріалів унаслідок зростання щільності дефектів решітки - значне зростання межі текучості.

Поєднання програмного навантажування і ультразвукового впливу дозволяє істотно збільшити ефект дифузійної мікрозсувної релаксації напруги в кристалах. Ультразвук при цьому використовується не тільки як спосіб генерування крапкових дефектів, але й як чутливий індикатор слабких місць в кристалі.

Теоретичні і експериментальні дані досліджень впливу температури і швидкості навантажування, структурного стану кристалів і інших чинників на процеси зародження і розвитку елементарних актів пластичної деформації, опір руху дислокацій в реальних кристалах, формування дефектної структури, зміна дисперсії розподілу потенційних бар'єрів і профілю поля внутрішньої напруги в кристалах дозволяють виділити два типи зміцнення кристалічних тіл: дислокаційно-субструктурне зміцнення і дифузійно-дислокаційне зміцнення.

Діслокаційно-субструктурний механізм зміцнення здійснюється при одно- і багаторазовому деформуванні кристалів до значних ступенів деформації з подальшим дорекристалізаційним відпалом. Сприятливими умовами для прояву цього механізму зміцнення є низькі температури і високі швидкості деформації.

Дифузійно-дислокаційний механізм зміцнення істотну роль грає при малих швидкостях навантажування, наявності в об'ємі нерівноважної концентрації крапкових дефектів, градієнтів хімічного і механічного потенціалів.

Виходячи з сучасних уявлень про дефекти кристалічної будови і наявності різних елементів пластичної деформації, теоретично обґрунтований і експериментально доведений принципово новий напрямок у вирішенні проблеми досягнення зміцненого, механічно рівномірного стану матеріалів, названого програмним зміцненням кристалічних тіл. Воно полягає у відпалі, відпуску, старінні матеріалів або виробів з них в умовах програмної зміни термічного, механічного, радіаційного і інших видів обробки з урахуванням швидкості і ступеня протікання фізичних процесів, що формують комплекс властивостей зміцнюваних об'єктів. Інтенсивність теплової, механічної, радіаційної активацій повинна, з одного боку, сприяти виявленню спектру слабких місць в об'ємі і на поверхні матеріалів, з іншого - відповідати швидкості їх зміцнення і заліковуванні порушень суцільності без руйнування.

Дослідження фізико-механічних властивостей і структурних змін кристалічних тіл в процесі і після програмного навантажування виявили наступні основні механізми, відповідальні за підвищення структурної досконалості, поліпшення комплекса властивостей матеріалів, програмно-навантажених в макропружній області деформацій: зміна індивідуальних властивостей (стартової напруги, середньої довжини вільних сегментів, швидкості руху, ступеня розщеплювання і конфігурації дислокацій); зниження загальної щільності рухомих дислокацій завдяки відходу на границі розподілу і взаємодії з крапковими дефектами їх комплексами і один з одним; перерозподіл дислокацій в місцях їх скупчень і релаксація напруги в області структурної і фазовою неоднорідності унаслідок протікання мікрозсувних і дифузійних процесів.

Необоротні процеси перерозподілу дефектів в енергетично вигідні положення і мікропластичність в місцях локальних перенапружень при програмному навантажуванні призводять до зниження внутрішньої енергії системи, підвищення пружних характеристик, стриманню схильності до крихкого руйнування матеріалів. До основних особливостей програмно-зміцнених металів і сплавів відносяться підвищений ступінь механічної однорідності структури, що забезпечує зниження анізотропії опору деформації і поєднання високоміцного стану з поліпшенням пластичних характеристик матеріалів; стійкість структури по відношенню до ефектів релаксації напруги, повзучості, рекристалізації.

Дослідження поведінки окремих дислокаційних петель, двійникових прошарків при знакозмінному навантаженні кристалів, характеру впливу нерівноважної концентрації точкових дефектів, відпалу в напруженому стані на їх напругу перебігу при зміні знаку навантаження дозволяють однозначно пояснити природу ефекту Баушингера і визначити шляхи його зменшення.

Результати теоретичних і експерименальних досліджень закономірності зміни структури і властивостей металів і сплавів з нерівноважною концентрацією крапкових дефектів, що створені гартом, опромінюванням, ультразвуковим впливом дозволили встановити нові ефективні засоби спрямованого формування структури і властивостей кристалічних тіл, а також розширити можливість програмного зміцнення матеріалів. Розглянемо їх:

1. Термомеханічне зміцнення загартованих чистих металів, що полягає в гарті металів з передплавильних температур, низькотемпературній деформації (на 0,5 - 1,0%) і старінні в напруженому стані в температурній області утворення вторинних дефектів.

2. Сполучення радіаційної обробки і відпалу, а також радіаційно-термомеханічного зміцнення, що полягає у відпалі, відпуску, старінні опромінених матеріалів у вільному або напруженому станах.

3. Поєднання програмного навантажування матеріалів з періодичною або безперервною дією малоінтенсивних коливань.

Проведений комплекс досліджень в лабораторних і напівпромислових умовах дозволяє рекомендувати відпуск в напруженому стані як один з перспективних технологічних процесів обробки конструкційних матеріалів і виробів з них в умовах, близьких до експлуатаційних [14].

8. Про структурний механізм релаксації напружень у метастабільних сплавах

Релаксація напружень є одним з видів пластичної деформації, що характеризується деякими особливостями. У чистому вигляді релаксація зовнішніх, тобто макроскопічних, напружень здійснюється при навантажені типу межі пружності і збереженні сталості деформації, є сумою пружнього і пластичного компонентів:

(1.9)

В початкову мить навантаження вся деформація є пружною, тобто . При збільшені часу видержки частина пружної деформації переходить у пластичну, тобто .

Взагалі компонента пластичної деформації являє собою суму зсувної (механічної) компоненти і компоненти дифузійної пластичності, обумовленої протіканням грузлої і зернограничної текучості і реалізується при температурах більше 0,5Т_пл.

Дослідження показали, що на релаксацію напружень великий вплив робить метастабільність структури сплавів. Протікання структурних і фазових перетворень у сплавах, що знаходяться під навантаженням, сприяє посиленню релаксації напружень унаслідок розвитку особливого структурного механізму релаксації. У випадку інтенсивного розвитку процесів, що стабілізують структуру сплаву, цей механізм може впливати на релаксацію напружень [16].

Для сплавів, що працюють при температурах 0,5Т_пл в умовах релаксації напружень, можна, зневажаючи компонентом дифузійної пластичності, прийняти, що пластична деформація при релаксації (е_пл) дорівнює сумі зсувної (е_сд) і структурної (е_стр) компонент:

(1.10)

Будь-яка структура сплаву є метастабільною. Ступінь нестабільності структури визначається перевищенням рівня її вільної енергії над рівноважною. Термодинамічна метастабільність структури може бути зумовлена зміною хімічної вільної енергії, впливом енергії деформації і енергії поверхонь розділу.

У випадках, коди зміна стабільності структури відбувається при накладенні зовнішніх напружень, ці напруження релаксують відповідно до обсягу й інтенсивності протікання процесів, що стабілізують структуру сплаву. У випадку протікання в сплаві декількох процесів, стабілізують структуру, кінетика релаксації напружень визначається кінетикою ведучого за обсягом та інтенсивністю процесу.

Структурні і фазові перетворення можуть і полегшувати процес зсувоутворення, і підвищувати опір зрушенню, внаслідок зміцнення сплавів у процесі фазових перетворень, що стабілізують структуру. Важливою є швидкість переходу в більш стабільний стан. Сильнішій швидкості переходу в більш стабільний стан відповідає велика релаксація напружень. Стабілізація відбувається як у результаті дифузійного процесу, так і бездифузійного.

Процеси, що стабілізують структуру, поділяються на: І - процеси, що протікають за схемою мономолекулярних реакцій; ІІ - процеси, що протікають за схемою послідовних реакцій [16].

Перші процеси відбуваються з виключенням обсягу, у якому пройшло перетворення, з подальшої участі у фазовому перетворенні.

В другому випадку, релаксація напруг в елементарному обсязі відбувається стрибком від початкової напруги до кінцевої.

Подальша релаксація протікає за структурним механізмом в нових елементарних обсягах, у яких протікають фазові перетворення. Одночасно відбувається перерозподіл напружень в обсязі сплаву. У зв'язку з цим напруження в областях, що зазнають фазові перетворення за мономолекулярною схемою, можуть додатково змінитися.

Напруження в обсязі проходять ряд стадій До того ж, рівень напружень в окремих елементарних обсягах може бути різним.

Структурний механізм напружень необхідно враховувати при виборі раціонального легування та режимів термопластичного зміцнення сплавів, а також умов їхньої експлуатації. Необхідно умовою підвищеної релаксаційної стійкості сплавів є «стабільність» їхнього метастабільного стану, тобто забезпечення найбільш повільного розвитку структурних і фазових перетворень у процесі релаксації напружень.

Релаксація напружень у метастабільних сплавах визначається структурним і зсувним механізмом. При інтенсивному розвитку фазових перетворень у момент релаксації напружень основним є структурний механізм, що може виявлятися і при низьких температурах.

Размещено на Allbest.ru