книги / Структура и прочность конструкционных материалов

своеобразное выдавливание, "экструзионное перемещение", отдельных объемов материала образца, выходящих за пре­ делы исходного уровня поверхности. Наблюдается также возникновение "вдавленных", "интрузионных" участков.

Было установлено, что испытания при комнатной тем­ пературе не вызывают возникновения экструзионных и ин­ трузионных видов микрорельефов и их удается наблюдать только при более высоких температурах (в диапазоне 300-800°С). Последнее, по-видимому, связано с возрас­ танием, по мере повышения температуры испытания метал­ ла, диффузионной подвижности его атомов и облегчения протекания элементарных актов пластической деформации.

Преимущественное перемещение отдельных микрообъемов в кристаллической решетке железа в условиях знакопере­ менного нагружения нагретого образца происходит, как известно,по плоскостям скольжения, имеющим кристалло­ графическую ориентацию (110), (112), (123) и возника­ ющим в зонах с максимальной величиной свободной энер­ гии. Такими участниками могут являться зоны концентра­ ции дефектов (дислокаций, вакансий и др .).

Прямые измерения, выполненные нами на микрофотогра­ фиях, снятых на электронном микроскопе с поверхности образца железа, прошедшего испытание на установке ИМАШ-10 при нагреве в вакууме, позволили установить, что относительно прямые линии скольжения, по» границам которых происходит экструзия и интрузия, расположены на расстояниях, равных (2-6).103 периодам кристалличе­ ской решетки железа. Причины, вызывающие появление зон с повышенной способностью к перемещениям через указан­ ные промежутки, пока еще не ясны. Однако феноменологи­ чески установленный факт существования такого эффекта позволяет высказать предположение об образовании во время опыта и перераспределении несовершенств и их перемещении к отдельным плоскостям скольжения, в пре­ делах которых в результате флуктуации распределения дефектов имеется их несколько большее количество, не­ жели чем в соседних плоскостях, расположенных на рас­ стояниях, равных определенному числу периодов решетки исследуемого металла или сплава.

Протеканию перемещения дефектов способствует знако­ переменное нагружение, вызывающее разрыхление и "раска­ чивание” микрообъемов материала, которое облегчает этим передвижение и концентрацию несовершенств на указанных выше определенным образом расположенных плоскостях скольжения.

На рис. 2.38 представлена схема, иллюстрирующая ки­ нетику образования экструэионно-интруэионного микро­ рельефа на поверхности образца железа, подвергаемого

знакопеременному нагружению в процессе испытания на усталость при нагреве. После некоторого числа циклов нагружения (рис. 2.38,а) на полированной поверхности образца возникают отдельные выступы, образующиеся в ре­ зультате своеобразного "выдавливания" объемов; толщина таких "пачек", выдавленных из образца; составляет пре­ имущественно, как мы отмечали выше, (2-6).10э периодов решетки железа.

Протяженность выдавленных участков, а также зон впадин, колеблется в весьма широких пределах (в наших опытах установлено, что эти размеры, например, при тем­ пературе 800°С и а = ±90 МПа через N = 4.106 циклов, могут изменяться от 1 до 5 мкм). Условия перемещения указанных объемов зависят, по-видимому, от многих при­ чин, таких, например, как степень концентрации дефектов на плоскостях скольжения, искажений, вносимых неравномер­ ностью распределения поля напряжений, создаваемого при знакопеременном нагружении образца во время испытания на усталость и других, пока еще не поддающихся учету факторов.

Дальнейшее протекание испытания на усталость сопро­ вождается развитием иллюстрируемого на рис. 2.38,6 и в сдвигового микрорельефа на поверхности образца. Некото­ рые выдавленные объемы, не обладающие достаточной жест­ костью вследствие их малой толщины, искривляются и об­ разуют характерные волнообразные складки, состоящие из плотно прилегающих друг к другу лепестков. Отдельные плоскости -смещены по отношению к соседним. Такие склад­ чатые зоны экструзии, напоминающие конфигурацией свер­ нутую в виде рулона пачку листов бумаги, весьма специ­ фичны как микрорельеф, образующийся на поверхности об­ разцов, подвергнутых испытанию на усталость при нагреве в вакууме.

Следует обратить внимание на возникновение характер­ ной пористости в толще образца, непосредственно связан­ ной, как мы полагаем, с образованием экструзионного микрорельефа. Перемещение, выдавливание отдельных плос­ ких объемов металла сопровождается их отрывом, происхо­ дящим внутри объема образца в зоне окончания поверх­ ностного слоя активного "разрыхления" (в участках, от­ меченных стрелками на рис. 2.38,а). По мере развития процесса экструзии (рис. 2.38,6) на поверхности образца появляются также зоны интрузии, связанные с перемеще­ нием металла из соседних участков в возникшие при экс­ трузии поры. Такому "переползанию" способствует Воздей­ ствие на образец циклических знакопеременных напряжений при испытании на усталость.

и на электронном микроскопе с применением угольно-сереб- ряных реплик. В последнем случае наибольший интерес представляли микрорельефы, связанные с развитием тонко­ го внутризеренного скольжения, не обнаруживаемого с по­ мощью светового микроскопа даже при больших увеличениях (до 1500 раз).

Все виды наблюдавшихся микрорельефов разделены нами на две группы. К первой группе отнесены микрорельефы, возникающие в теле зерен, а во вторую группу - развивающиеся на границах зерен и в приграничных участ­ ках.

Внутризеренные микрорельефы возникают в образцах технического железа при испытании на усталость в интер­ вале температур испытания от 20 до 800°С.

При температурах от 20 до 400°С (в первом темпера­ турном интервале, характеризующемся внутризеренным ви­ дом разрушения) процессы, протекающие внутри зерен, развиваются до образования макротрещин. Последние, раз­ растаясь под действием циклической нагрузки, приводят к окончательному разрушению образца. Во втором темпера­

турном интервале (от 500 до 800°С и выше) внутризеренные деформационные процессы развиваются одновременно с межзеренными и способствуют, по-видимому, протеканию раз­ рушения преимущественно по границам зерен.

Третий температурный интервал (в диапазоне от 400 до 500°С) характерен смешанным типом разрушения железа (протекающим как по телу, так и по границам зерен).

На рис. 2.40,а-з приведены схемы основных типов микрорельефов первой группы.

Микрорельефы, показанные на рис. 2.40,а-г иллюстри­ руют картину микростроения, наблюдавшуюся на поверхности образцов при испытании в первом температурном интерва­ ле. Сдвиговые микрорельефы (рис. 2.40,а-г) характеризу­ ются отличием типов следов скольжения, вид которых за­ висит от условий нагружения, свойств материала образца и его исходного состояния. Сами следы скольжения обла­ дают сложным субмикроскопическим строением, связанным со скоплением в них образующихся во время деформации дефектов и с протеканием, при определенных условиях, экструзионно-интрузионных процессов, активизируемых действием высокотемпературного нагрева. Как свидетель­ ствуют данные наших экспериментов, деформация по следам скольжения распределена неравномерно. В связи с этим при осуществлении циклического нагружения наблюдается локализация деформации с образованием "грубых" (устой­ чивых) полос скольжения. Расстояние между отдельными полосами скольжения зависит от напряженного состояния данного зерна, его ориентации к направлению прикладыва­ емой к образцу нагрузки, а также от температуры испы­ тания .

При нагружении образцов технического железа в пер­ вом температурном интервале, когда наблюдается транскристаллитный тип разрушения, образуются хорошо разли­ чимые в световом микроскопе следы скольжения. С повыше­ нием температуры испытания полосы скольжения приобрета­ ют вид отрезков коротких линий, концентрирующихся возле границ зерен. Однако, как следует из данных электрон­ но-микроскопических исследований, при высоких темпера­ турах в теле зерен развивается тонкое скольжение, осо­ бенно интенсивно протекающее в начальный период испыта­ ния. Оно подготавливает, а затем способствует развитию деформации по границам.

Нами было установлено, что при высоких температурах однородность тонкого скольжения при приближении к гра­ ницам зерен в значительной мере нарушается. Это может быть обусловлено большей концентрацией дефектов у гра­ ниц зерен, способствующих интенсификации протекания деформации в различных направлениях.

Первый и второй типд микрорельефов (рис. 2.40,а,б) связаны с появлением одинарного и множественного одно­ родного скольжения. Эти виды микрорельефов отражают протекание в объеме зерен трансляционного скольжения, сказывающегося в смещении одних областей кристаллита относительно других, без изменения формы и характеризу­ ются неизменными кристаллографическими параметрами скольжения (плоскостью и направлением). Они обычно про­ являются в виде четких прямолинейных следов на поверх­ ности образца. Скольжение в железе при комнатной темпе­ ратуре происходит преимущественно по плоскостям (110), а с увеличением температуры испытания, как известно, активизируются плоскости (112) и (123).

Образовавшиеся в процессе циклического нагружения полосы однородного скольжения могут переходить из одно­ го зерна в другое. В случае благоприятного расположения соседних зерен (при малой степени их разориентировки) полосы скольжения легко переходят из одного зерна в другое без нарушения общего характера скольжения.

На рис. 2.40,6 представлена схема множественного однородного скольжения, при протекании которого сдвиг происходит последовательно по отдельным плоскостям. Как видно из рис. 2.40,6, сначала сдвиг протекает по одной системе скольжения, а затем в процессе дальнейшего ис­ пытания на поверхности образцов технического железа образуется вторая система скольжения. Следует отметить, что при определенных условиях в одном и том же зерне может возникнуть большее число систем скольжения, чем изображенное на схеме рис. 2.40,6.

При неблагоприятной ориентации соседних зерен пере­ ход полос скольжения из одного зерна в другое затруднен

ветвляются на ряд новых полос скольжения. Характер об­ разования последних зависит от ориентации данного зерна по отношению к'соседнему и направлению действия прикла­ дываемой к образцу внешней нагрузки.

Третий и четвертый типы микрорельефов (рис. 2.40,в,г) иллюстрируют деформационную картину, вызываемую проте­ канием одинарного и множественного неоднородного сколь­ жения в зернах, в данном случае под "неоднородным сколь­ жением" понимаются различные проявления скольжения, происходящего одновременно по нескольким различным кри­ сталлографическим плоскостям в сопрягающихся участках, но при сохранении данного направления скольжения. Эти типы микрорельефов связаны с протеканием так называе­ мого "поперечного скольжения". Характерной особенностью

последнего в чистых металлах при повышенных температу­ рах является волнистость наблюдаемых полос скольжения при специфическом их "разветвлении". Такой вид микро­ рельефов может быть связан со сравнительно легким пе­ реходом скольжения с одних на другие участки зерен,

технического железа при транскристаллитном типе разру­ шения.

На рис. 2.40,а-г условно показаны особенности образо­ вания нераспространяющихся (Кч ) и распространяющихся (Ка) трещин усталости в процессе испытания образцов техни­ ческого железа при нагреве до 400°С включительно.

скольжения показаны на рис. 2.41,а и б. На рис. 2.41,а представлено микростроение поверхности образца техниче­ ского железа, прошедшего 2,1.106 циклов нагружения в условиях изотермической выдержки при 400°С в вакууме. Образовавшиеся в процессе циклического нагружения поло­ сы скольжения (рис. 2.13,6) легко переходят из зерна А в зерно Б, лишь незначительно изменяя направление, что может быть объяснено малой разориентацией этих зерен. Судя по образовавшимся в зерне В полосам скольжения, его ориентация сильно отличается от зерен А и Б. В ре­ зультате переход полос скольжения из зерна В в зерна А не наблюдается.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что полосы скольжения распределены по всему телу зерен и состоят из цепочек, образуемых отдельными точками по полосе скольжения, удаленными друг от друга на расстоя­ ние 1,2-1,5 мкм.

Как видно из рис. 2.41,а, многие "то^ки" как бы очерчивают определенные линии на поверхности и могут быть связаны со скоплением дефектов структуры по невыявившимся в результате сдвига плоскостям, а также с протеканием экструзионно-интруэионных процессов в усло­ виях повышенных температур. С уменьшением температуры испытания "выдавливание" отдельных микрообъемов образца происходит по полосам скольжения.

На рис. 2.41,6 показан пример протекания на поверх­ ности образца технического железа множественного одно­ родного скольжения. Образец был подвергнут 8,5.10® цик­ лам знакопеременной нагрузки при температуре 300°С.

Возникновение следов скольжения по двум системам проте­ кает не одновременно: после образования системы I сколь­ жение развивается по системе II. В случае деформации по двум системам, полосы скольжения, как правило, локали­ зуются отдельными группами и имеют характер устойчивых полос, в которых образуются субмикроскопические трещины. Микрофотография, приведенная на рис. 2.41,в была

снята с поверхности образца железа, прошедшего 1,3.107 циклов нагружения при температуре 300°С. Следы неодно­ родного одинарного скольжения в данном случае образова­ лись по фронту распространения трещины усталости. Пере­ ход полос скольжения из одного зерна в другое происходит по отдельным,вновь образующимся полосам скольжения, ко­ торые могут и не являться продолжением возникших ранее.

Однако при этом можно наблюдать взаимное "приспособле­ ние", своеобразную "аккомодацию", полос скольжения со­ прягающихся зерен, как это показано на рис. 2.41,в (по мере приближения к границе, полосы скольжения в зерне А искривляются, приобретая направление, близкое к направ­ лению предпочтительного скольжения в зерне Б) .

Следует полагать, что при возникновении полос сколь­ жения по фронту распространения трещины усталости ха­ рактер следов зависит не только от кристаллографической ориентации зерна к направлению внешней нагрузки, при­ кладываемой к образцу, и взаимного расположения сосед­ них зерен, но и от характера распределения напряжений у основания распространяющейся трещины. В этом случае на­ правление действия максимальных напряжений у основания трещины может определять направление развития следов скольжения.