11-15

11. Основные элементы дислокационной структуры.

В дислокационном механизме пластической деформации и разрушения металла участвуют не только дислокации, но и другие элементы дислокацион-ной структуры. К дислокацион-ной структуре относятся все факторы, влияющие на перед-вижение дислокаций под действием приложенной силы. Основными элементами дисло-кационной структуры являются: дислокации, характер их распо-ложения друг относительно дру-га, а также все факторы, непос-редственно затрудняющие передвижение дислокаций. Основными из них являются границы зерен и субзерен, атмо-сферы Коттрелла, атмосферы Сузуки и высокодисперсные твердые включения — стопоры. Рассмотрим каждый из перечис-ленных элементов.

Дислокации. Характеристикой, непосредственно влияющей на сопротивление сплава пласти-ческой деформации, является плотность дислокаций, т. е. их суммарная длина, приходящая-ся на единицу объема металла. Размерность плотности дисло-каций принято выражать в см/см³. Важной характеристикой явля-ется то минимальное напряже-ние, которое необходимо для перемещения дислокаций в кристаллической решетке, свободной от каких-либо препятствий, затрудняющих движение дислокаций. Это напряжение получило название силы Пайерлса—Набарро. Оно связано с модулем сдвига металла G. Характер взаимного расположения дислокаций. В зависимости от условий крис-таллизации и температуры формирования дислокационной структуры дислокации могут располагаться в кристалличес-кой решетке зерен хаотически, образуя так называемый лес дислокаций, или строго упоря-дочено, образуя дислокацион-ные стенки. При упорядоченной дислокационной структуре плас-тическая деформация затрудня-ется тем, что в этом случае каждая из находящихся в стенке дислокаций, помимо сил Пайерлса— Набарро, удержи-вается от передвижения выше- и нижерасположенными дисло-кациями. Поэтому при более сложной, чем лес дислокаций, дислокационной структуре прочность металла оказывается выше. Формирование дислока-ционных стенок происходит при кристаллизации, когда в зернах металла образуются блоки или субзерна. Стенки располагаются вдоль границ субзерен. Возник-ший в зернах лес дислокаций может превратиться в дислока-ционные стенки при нагреве до невысоких температур (для стали около 300 °С). При этом было отмечено, что мелкозер-нистые сплавы обладают более высокой прочностью, чем крупнозернистые. Атмосферы Коттрелла. Эти элементы дислокационной структуры формируются в результате предпочтительной диффузии к дислокациям тех атомов внедрения в данном сплаве, которые имеют очень малые радиусы (для стали это атомы углерода и азота). Между дислокациями и атомами внедрения происходит довольно значительное взаимодействие, затрудняющее передвижение дислокаций и повышающее прочность металла.

Атмосферы Сузуки, также являющиеся элементом дисло-кационной структуры, образуют-ся на основе поверхностных дефектов упаковки кристалли-ческой решетки. Эти дефекты оказывают влияние на процесс прохождения дислокаций во время пластической деформа-ции металла. К подобным дефектам относят такие искажения в кристаллической решетке, которые имеют большую протяженность в двух измерениях и незначительную протяженность (несколько межа-томных расстояний) в третьем измерении. Характерным приме-ром таких дефектов являются дефекты упаковки, представля-ющие нарушение закономерного расположения плотноупакован-ных слоев атомов. Плотноупако-ванный слой атомов можно представить в виде жестких шаров, плотно прилегающих друг к другу и образующих одну атомную плоскость. В этом случае вокруг каждого атома должно располагаться шесть таких же атомов, центры кото-рых образуют вершины прави-льного шестиугольника. Если рассматривать, например, ЩК-решетку, то в ней плотноупако-ванные плоскости расположены так, что первый и четвертый слои повторяют друг друга. Но если будет повторяться каждый третий слой, то это приведет к образованию дефекта упаковки. Дефекты упаковки могут образо-ваться за счет сдвига в плоскос-ти плотной упаковки, а также пу-тем изъятия или внедрения одной плотноупакованной плос-кости.

12. Понятие о концентраторе напряжения.

Концентраторами напряжений являются имеющиеся в металле трещины, не сплошности, и всевозможные включения с острыми краями, а также резкие переходы детали от одного сечения к другому.

Металлургическими дефектами является различные рассеянные не металлические включения, а также раковины, поры и другие нарушения сплошности.

13. Влияние термической обработки на размер зерна.

Термическая обработка – изменение структуры и свойств материала в резуль-тате нагрева и охлаждения в твёрдом состоянии.

Отжиг - термическая опера-ция, состоящая в нагреве ме-талла, имеющего неустойчи-вое состояние, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Закалка - термическая опера-ция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим быстрым охлаж-дением для получения неустой-чивого состояния сплава.

Отпуск - термическая опера-ция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого состояния сплава.

Вязкость и пластичность мате-риалов, используемых в инже-нерной практике, в значитель-ной мере зависят от характера обработки. Тот или иной сплав не имеет определенной вязкос-ти разрушения, для него харак-терен целый ряд значений этого параметра, соответствующих различным видам обработки, результатом которой являются небольшие изменения в микроструктуре. На величину вязкости разрушения может оказывать влияние каждый этап обработки. В их число может входить даже процесс плавления: легированные сплавы, выплавленные в вакууме, обладают большей вязкостью разрушения, чем стали, выплавленные на воздухе. Одной из переменных структуры, зависящих от характера обработки, является размер кристаллического зерна. Прочность железа или мягкой стали зависит от размера зерна; кроме того, существуют экспери-ментальные подтверждения то-го, что на прочность этих мате-риалов аналогичным образом влияют размеры кристалличес-ких зерен в мартенситноста-реющих сталях. Теоретические разработки Холла и Петча показывают, что механические свойства стали обратно пропор-циональны корню квадратному из размера кристаллического зерна.

Изменение размера кристалли-ческого зерна существенно именно во время обработки сталей. Следует отметить, что если размер кристаллического зерна изменяется за счет содержания примесей, то соответствующее изменение свойств будет иным, нежели в случае, когда размер кристал-лического зерна изменяется за счет изменения времени и температуры рекристаллизации. В настоящее время имеется лишь небольшая количествен-ная информация, позволяющая решить вопрос о том, насколько сильно зависит остаточная прочность конструкции с трещи-ной от размера зерна. Вообще говоря, этапы обработки, вызы-вающие изменения предела текучести и других пластических свойств материала, будут также влиять на вязкость разрушения материала в результате непос-редственной связи, существу-ющей между этими свойствами. Влияние обработки металла на величину его вязкости разру-шения может причинять особен-но много беспокойств в случае, когда она приводит к структур-ной неоднородности, возника-ющей из-за неизбежных вариаций процесса обработки в различных точках материала. В областях со сложной геомет-рией, несмотря на многочислен-ные меры предосторожности, скорости охлаждения могут значительно меняться от точки к точке. Типичным примером неоднородного температурного процесса является процесс нагрева и охлаждения свароч-ного шва. Сегрегация литья сохраняется и при дальнейшей обработке, в результате кото-рой, а также в результате охлаждения могут возникнуть местные структурные измене-ния. Специальная структурная неоднородность может возник-нуть в поковках, в которых направление течения зерен и их размер могут значительно меняться от точки к точке. Поскольку главной здесь явля-ется задача учета анизотропных свойств материала, она и будет рассмотрена в первую очередь.

Деформация материалов порождает анизотропию. По отношению к вязкости разруше-ния механическая анизотропия существует во всех рабочих изделиях, поковках, а также в прокате. Деформирование в горячем или холодном состо-янии может привести к выстра-иванию кристаллографических осей кристаллических зерен в определенном направлении или в определенном порядке. Оно может также явиться причиной образования волокон: верениц продолговатых кристаллических зерен, или групп продолговатых включений, или частиц второго рода. Наконец, обработка может вызвать образование внутрен-них напряжений.

Анизотропия, возникшая за счет определенной кристаллографи-ческой текстуры, особенно важ-на для хрупкого разрушения, так как скол образуется на наибо-лее выгодных кристаллографи-ческих плоскостях. Если плос-кости скола соседних кристалли-ческих зерен ориентировать, то при этом сопротивление сколу может уменьшиться. В матери-алах с ограниченными возмож-ностями для скольжения боль-шое значение может также иметь образование текстуры. Поэтому роль текстуры наибо-лее очевидна в материалах с плотно упакованной гексагона-льной кристаллической решет-кой, таких, как a-титан, берилл-лий и цинк. Эти материалы обладают хрупкими свойствами и ограниченными возможнос-тями для скольжения.

Образование волокон важно для материалов всех видов. Этот процесс является основной причиной различий в прочности, пластичности и вязкости разрушения, определяемых в образцах, ориентированных вдоль и поперек направления течения металла при его обработке.

14. Классификация типов разрушения.

Деформирование и разруше-ние твердых тел тесно связа­ны друг с другом. Если тело подвергнуто действию нагрузки, при которой нарушается сплошность среды и интен-сивность поля напряжений достигает предельного значе-ния, то насту­пает разрушение, т.е. необратимое разделение тела на части. В зависимости от характера распределения напряжений в теле разрушение бывает двух типов: отрывом и сдвигом (скольже­нием).

Разрушение отрывом явля-ется, как правило, хрупким, возникает в результате прило-жения растягивающих нагрузок, происходит по определенным кристаллографическим плоско­стям, характерным для кристал-лической решетки материала, а поверхность разрушения нор-мальна к максимальному глав­ному напряжению.

Разрушение сдвигом является вязким, связано с касатель­ными напряжениями, происходит по направлению максималь­ного сдвига (по плоскости скольжения двух частей кристалла относительно друг друга до полного их разделения), а поверх­ность сдвига ориентирована под углом 45° к главным на­пряжениям.

Классификация типов разрушения.

1). Если разрушение связывают со степенью пластично­сти, реализованной к моменту разрушения, то разрушение разделяют на хрупкое, квазихрупкое и вязкое;

2). Если разрушение приводят в соответствие с напряжен­но-деформированным состоянием, то имеют в виду разрушение отрывом и разрушение сдвигом;

3). Если разрушение связывают со структурой материала, то различают межзеренное, внутризеренное и смешанное разрушение;

4). Если выделяют условия нагружения, то применяют по­нятия усталостного разруше-ния, разрушения при ползучести;

5). В зависимости от кинематики процесса различают ста­бильное (задержанное) и нестабильное разрушение.

Существует еще целый ряд менее значимых параметров, по которым можно классифици-ровать типы разрушения, одна­ко феноменология процесса разрушения позволяет выде-лить два основных фактора, упрощающих классификацию. Во-первых, существуют только два пути разрушения - сдвиг и отрыв, причем любой процесс разрушения состоит из двух стадий, включающих зарожде-ние трещины и ее последую-щий рост. Во-вторых, все твер-дые кристаллические среды мож­но разделить на вязкие (или пластичные) и хрупкие. Вязкое разрушение происходит при наличии больших деформаций, а хрупкое — сравнительно малых. Поэтому в дальнейшем бу­дем использо-вать только два первых определения типа раз­рушения: хрупкое, квазихрупкое и вязкое разрушение; раз­рушение сдвигом и разрушение отрывом. В соответствии с условными типами разрушения можно также выделить три типа тел:

- хрупкие тела - это классичес-кий объект линейной механики разрушения;

- полухрупкие тела, которые могут быть пластичными, но могут испытывать скол, - клас-сический объект дислокацион-ной теории разрушения;

- пластичные (вязкие) тела, о которых нельзя сказать, что они разрушаются, но, сохраняя пластичность, они могут при определенных условиях проявлять черты хрупкого поведения.

Однозначно определить тип разрушения (вязкий или хрупкий, т.е. деформировалась пластически поверхность раз­рушения или нет) можно лишь при изучении поверхностей, по которым разрушился образец, с помощью метода фрактогра-фии. Хрупкое разрушение на фрактограмме характеризуется так называемым ручьистым изломом или речным узором, а вязкое — чашечным изло-мом с наличием на поверхнос-ти разрушения ямок.

В действительности многим материалам, особенно ме­тал-лам, не свойственно абсолютно вязкое или абсолютно хрупкое разрушение.

Характеристики разрушения связаны с кристаллической структурой материалов. Напри-мер, металлы с ГЦК-решеткой (алюминий, медь, никель и др.) при испытаниях на растяже­ние даже при очень низких температурах проявляют пластич­ность. Металлы с ОЦК-решеткой (железо, молибден, вольф­рам), а также металлы с ГПУ-решеткой (цинк, бериллий) являются пластичными при высоких температурах, но становятся хрупкими при низких. Вообще говоря, ОЦК-кристаллы склонны к разрушению сколом (хрупкое разруше­ние по кристаллографическим плоскостям) а ГЦК-кристаллы имеют практически неограниче-нную деформируемость.

Температура Т_С (в действите-льности диапазон значений температуры Т_Н...Т_В), при которой происходит изменение типа разрушения, называется температурой перехода от вяз­кого разрушения к хрупкому или порогом хладноломкости. Эта температура зависит от свойств материала, его микро­структуры и от геометрии образца. Порог хладноломкости характери­зуется двумя значениями диа-пазона температуры: нижним Т_Я, ниже которого излом полностью хрупкий, и верхним Т_В, выше которого излом полностью вяз­кий. Если порог хладноломкости опреде­ляют одним значением температуры, то указывают середину порога Т₅₀ — температуру, при которой имеется 50 % вязкого волокна в изломе или значение а_Р уменьшилось в 2 раза. Поло­жение порога хладноломкости характеризует сопротивление хрупкому разрушению, а работа а_Р, затрачиваемая на распро­странение трещины, — сопротивление вязкому разрушению. Разность значе-ний температуры эксплуатации и температуры называется запасом вязкости.

15. Разрушение отрывом и сдвигом. Факторы, влияющие на тип разрушения.

Разрушение отрывом явля-ется, как правило, хрупким, воз-никает в результате приложе-ния растягивающих нагрузок, происходит по определенным кристаллографическим плоско­стям, характерным для криста-ллической решетки материала, а поверхность разрушения нормальна к максимальному глав­ному напряжению.

Разрушение сдвигом являет-ся вязким, связано с касатель­ными напряжениями, происхо-дит по направлению максималь­ного сдвига (по плоскости сколь-жения двух частей кристалла относительно друг друга до полного их разделения), а поверх­ность сдвига ориентиро-вана под углом 45° к главным на­пряжениям.

Отметим, что разрушение отрывом может наступать как при малых, так и при значи-тельных пластических дефор-ма­циях, а разрушение сдвигом — только при наличии опреде-лен­ной степени пластической деформации, так как оно является заключительным актом скольжения. Вообще говоря, любому типу разруше-ния всегда предшествует пластическое дефор­мирование материала; его интенсивность, а также величина деформации определяются характером плас-тического течения (локальным или общим).

На тип разрушения влияют форма тела, характер на­гружения, температур., скорость деформаций, механические свойства среды и наличие концентраторов напр-ний. Мест­ные концентраторы напр-ний действуют как очаги разру­шения и приводят к хрупкому разрушению отрывом. Фор­ма тела и характер нагружения определяют поле напряже­ний, которое, в свою очередь, определяет степень влияния напряженного состояния на процесс разрушения.

С микроскопической точки зрения существуют два основ­ных типа разрушения: хрупкое и вязкое. Тип разрушения во многом определяется темпера-турой и скоростью нагружения: хрупкое разрушение возникает при низких температурах или резком приложении растягива-ющих нагрузок (или при воздействии того и другого одновременно); вязкое разру-шение свя­зано с высокими тем-пературами, с малыми скорос-тями дефор­маций при сжима-ющих и растягивающих напря-жениях или с высокими скорос-тями деформаций при сжима-ющих нагрузках импульсного характера. Имеется также раз-новидность хруп­кого разруше-ния - разрушение сколом, при котором ориен­тация плоскости трещины связана с ориентацией кристалли­ческой структуры материала, а именно с поло-жением ее кри­сталлографичес-ких плоскостей.

Рис. Зависимость энергии разрушения от температуры:

I – зона хрупкого разрушения; II – переходная зона; III – зона вязкого разрушения.

Существует связь между температурой Т и энергией раз­рушения U: участку кри­вой АВ (зона /) соответствуют хрупкое разрушение, ма­лая энергия разрушения, низкая температу-ра; участку CD (зона ///) — вязкое разрушение, нормальная температура и высокая поглощаемая энергия, которая расходуется на рабо­ту пластического формоизме­нения, предшествующего нача­лу разрушения; участку В С (зона //) — частично хрупкое, частично вязкое разруше­ние. В зоне // (переходной), вполне опреде-ленной для ка­ждой среды, энергия разруше­ния сильно изменяется. При повышении скорости деформаций перехо-дная зона сдвигается в сторону более высоких температур.

От температуры и скорости деформаций зависит также тип разрушения поликристалличес-кой среды: межзеренное разру-шение, вызванное отделением зерен одно от другого и протекающее при высоких температурах и малых скорос-тях деформаций; внутризерен-ное разрушение, связанное с фраг­ментацией (разрушением) зерен и протекающее при низких температурах и больших скорос-тях деформаций; в промежу­точ-ных случаях имеют место оба типа разрушения. Темпера­туру, при которой внутризеренное разрушение и межзеренное раз-рушение равновероятны, назы-вают температурой равносвяз-ности, зависящей от скорости деформаций.