книги / Прогнозирование прочности и анизотропного состояния деформированных конструкционных материалов

Г л а в а 1

О ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ТЕОРИИ ПРОГНОЗШ’ОВАЛШ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ДЕФОРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ (вместо введения)

В материаловедении и механике материалов в качестве акту­ альнейшей выступает проблема создания конструкционных матери­ алов с заданными свойствами.

Большинство конструкционных материалов при изготовлении из них полуфабрикатов и изделий подвергается пластическому из­ менению формы. Поэтому очень важно уметь предвидеть тот уро­ вень физико-механичеоких свойств, с которым эти материалы бу­ дут финишировать, пройдя соответствующий процесс обработки да­ влением.

Задача создания прогнозирующей модели, чутко и правильно реагирующей на любой поворот технологической судьбы обрабаты­ ваемого материала, является чрезвычайно сложной*

Б общем вице невозможно составить систему уравнений, пре­

реализация этой идеи в виде нескольких взаимосвязанных прогно­ зирующих моделей.

На первом этапе создается базовая модель, прогнозирующая протекание, важнейшего процесса, всегда определяющего формиро­ вание свойств материала в ходе его обработки давлением и по­ лучающего значительное развитие при любом конкретном техноло­ гическом процессе.

На последующих этапах базовая модель становится теорети­ ческим фундаментом, на котором возводится набор более конкре­ тизированных и более эмпиричных локальных моделей других про­ цессов, свойственных лишь вполне конкретным классам материа­ лов э конкретных же технологических ситуациях (при определен­ ных температурах, скоростях, условиях трения, последовательно­ сти выполнения операций и т . д . ) .

Процессы» описываемые этими локальными моделями, в раз­ личных сочетаниях сопутствуют базовому процессу и своими вкла­

венно "забывает" историю своей обработки. Затем базовый про­ цесс начинается заново, от нового набора исходных данных, ха­ рактеризующих возникшее качественно новое состояние деформиру­

ционного упрочнения фактически обоснован и предопределен основ­ ными требованиями к базовой модели, с изложения которых мы на­ чали подход к задаче.

Сопутствующими при этом могут быть процессы разупрочнения (возврат, рекристаллизация, "атермическое разупрочнение", де­ формационное разупрочнение Коттрелла-Стокса), фазовая перекри­ сталлизация (переход из одной модификации в другую).

Последняя обычно вызывает упомянутые скачкообразные изме­ нения уровня свойств и состояния упрочнения материала, сопро­ вождается объемным эффектом и связанным с ним фазовым наклепом, разориентировкой структуры и другими эффектами.

Могут дать свои вклады и другие процессы, явления и эф­ фекты более специфического характера, такие, например, как эф­ фекты Баушингера, Хаазена - Келли, Портевена - Лешателье, ге­ терогенность структуры со значительной разницей свойств струк­ турных составляющих, масштабный фактор и некоторые другие*

Кроме влияния на средний уровень свойств большинство из перечисленных процессов, эффектов и явлений оказывает влияние и на состояние приобретенной анизотропии физико-механических свойств материала, проявление которой обусловлено главным об­ разом наличием какого-то преимущественного направления течения материала в процессе его обработки давлением и должно описыва­ ться базовой моделью.

Теории формирования механических свойств конструкционных

гах, в грудах научно-технических конференций экспериментальные данные по зависимости механических свойств металлов и сштавов

от технологических параметров их обработки [52, 72, 416]. По­ этому модельное представление процесса формирования механиче­ ских свойств, поставленное задачей настоящего исследования,

этой цели не пригоден, так как описывает пластическое состоя­ ние бесструктурного континуума. К счастью, он уже давно не удо­ влетворяет и самих специалистов по теории упругости и пластич­ ности, которые убедились, что комплекс структурно-чувствитель­ ных свойств реальных пластических материалов классическая те­ ория не в состоянии описать. К счастью - потому, что возник­ шее сомнение в возможности построения хорошей математической теории пластичности в классическом стиле дало толчок к поис­ кам принципиально новых путей построения общей теории и уста­ новлению возможности реабилитаций отдельных построений класси­ ческой теории, которые могут органически войти в новую теорию. Наиболее плодотворным и перспективным из этих, путей поиска ока­ зался путь построения математической теории пластичности, осно­

бодной от ряда принципиальных недочетов и вследствие своей уяз­ вимости не завоевала признания.

Успешная реализация этого пути при построении новой тео­ рии пластичности с 1964 г . осуществляется академиком М.Я.Леоновым с сотрудниками в Институте физики и математики АН Киргиз­ ской ССР [62 , 63 , 423, 124]. Математический аппарат этой тео­ рии и прежде всего предложенная модель линейной анизотропно упрочняющейся среды представляется наиболее удобным и для по­ пытки создания теории формирования механических свойств конст-

3 . Взаимодействие соседних зерен по границам между ними под действием наложенных извне условий.

Эти источники поочередно рассмотрены затем белое подробно. О первом источнике сказано мало, но имеется ссылка на ра­ боту [156], целиком посвященную обзору исследований различных

преимущественных ориентировок в металлах и сплавах. По матери­

высокая температура обработки в большей или меньшей степени раз­ рушает текстуру. Указывается, что преимущественная ориентиров­ ка в деформированных металлах является, в свою очередь, след­ ствием анизотропии сопротивления кристаллографических плоскос­ тей скольжению, определяющего развитие деформации путем сколь­ жения. Множественность систем скольжения и преобладание при этом процессов разупрочнения над упрочнением определяет отсутствие текстуры в металлах, подвергнутых высокотемпературной обработ­ ке давлением. Некоторое рассеяние текстуры имеется всегда и по­ сле холодной деформаций. Величина рассеяния зависит от термомеханических условий обработки материала.

Как наиболее характерный пример второго источника указы­ вается ориентированная неравномерность расположения примесей и сегрегатов, которая появляется во время прокатки или других процессов деформации. Замечено, что во время холодной прокатки листовой стали этот эффект часто сопутствует формированию пре­ имущественной кристаллографической ориентировки.

'После процессов деформации, таких, как протяжка или про­ катка, в металле остаются внутренние напряжения. Эти напряже­ ния искажают кристаллическую структуру и могут составлять дру­ гой источник вынужденной анизотропии, если проведенный после деформации отжиг не обеспечил завершение процесса рекристалли­ зации металла.

мя деформационного старения.

Наличие и активность третьего источника - взаимодействия зерен по границам - объясняется тем, что в псшикристаллическом

ствие анизотропии пластических свойств зерен присуща всем кри­ сталлическим агрегатам.

Из приведенного описания вытекает - и это подтверждается экспериментально - чем сильнее выражена преимущественная ори­ ентировка (чем меньше расоеяние текстуры), тем слабее вклад тре­ тьего источника.

И.М .Павлов [85], рассматривая общий случай анизотропии де­ формированных мэталлов, выделяет "кристаллическую" анизотропию, вызываемую преимущественной ориентировкой зерен поликристшишческого агрегата, и "механическую", вызываемую волокнистостью структуры в результате обработки давлением с расположением вдоль волокон вытянутых неметаллических включений, действующих как острые надрезы. По И.М.Павлову, в деформированных металлах мо­ жет встречаться либо один из двух названных видов анизотропии отдельно, либо кристаллическая и механическая одновременно в соотношении, определяемом природой металла и историей его об­ работки.

Отмечая, что вещество границ обладает иными свойствами,чем кристаллиты, И.М.Павлов указывает на неизбежность образования волокнистости и связанной с ней векториальности свойств при вы­ тягивании границ в процессе деформации. Если такая механическая анизотропия связана с продольной вытянутостью неметаллических включений, то последующей термообработкой ее не устранить. Во­ локнистость металла, лишенного неметаллических включений, может быть устранена термообработкой, обеспечивающей прохождение фа­ зовой перекристаллизации металла.

В рассматриваемой работе И.М.Павлова основное внимание в связи с формированием анизотропии металла уделяется не горячей, а холодной обработке давлением. Подчеркивается, что текстуры об­ работки ("кристаллическая" анизотропия) возникают в процессе хо­ лодной деформации при преимущественном течении металла в какомлибо направлении. Установлено, что если в холоднокатаном метал­ ле имеется отличие значений относительного удлинения и времен­

ного сопротивления на разрыв в направлении под углом яс/4 к на­ правлению прокатки (в плоскости прокатки), то зто типичная кри­ сталлическая анизотропия. Механическая же анизотропия приводит к различиям между результатами испытания на растяжение продоль­ ных и поперечных образцов (относительно направления прокатки). Там же отмечено, что при установлении особого режима всею тех­ нологического процесса (причем большое значение имеют условия отжигов) удается добиться исключения кристаллической анизотро­ пии даже холоднокатаного и отожженного материала. При этом ци­ тируются экспериментальные результаты из работы С.А.Кушаковкча и Ф.С.Смирновой [6 1 ]. Работа эта весьма интересна как первая з мировой инженерной практике попытка количественной идентифика­ ции анизотропии по относительному удлинению фестона при глубо­ кой вытяжке колпачков из холоднокатаной и отожженной листовой меди.

Внутренняя анизотропия отдельных зерен, из которых со­ стоит металл.

2 . Характер распределения и ориентация различных состав­ ляющих и дефектов, присутствующих в материале.

3 . Внутренние напряжения, возникающие от векториальности и неравномерности пластического течения.

Очевидно, что первый из названных источников вызывает пре­ имущественную ориентировку или анизотропию кристаллического ти­ па в терминологии И.М.Павлова.

Второй источник реализуется в вцце вынужденной и • механи­ ческой анизотропии в терминах рассмотренных выше классификации.

Внутренние напряжения выделены здесь в самостоятельный ис -

обычно завершается еще при обработке давлением (нагоряче), ли­ бо при заключительном отжиге (после холодной или горячей обра­ ботки давлением).

Второй из трех указанных в статье Вильсона источников век­ ториальности механических свойств фигурирует далее в той же статье под названием "механическая волокнистость". В статье от-