Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [ 16 ] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

образом параметрами несоответствия размеров атомов и модулей упругости основы и добавки. Для твердых растворов на базе меди dtup/dC линейно растет с увеличением комбинированного параметра рассогласования 9с = Эо - -Зба.

Увеличение протяженности I стадии деформации при легировании - результат затруднения начала скольжения в новых плоскостях: если критическое напряжение сдвига возрастает, то концентрация напряжений у скоплений дислокаций в твердом растворе, необходимая для инициирования скольжения в новых плоскостях, тоже растет и, следовательно, легкое скольжение может продолжаться до больших деформаций.

Особенно важным является повышение напряжения перехода к III стадии и увеличение здесь коэффициента упрочнения. Это связано с затруднением в результате легирования поперечного скольжения дислокаций (из-за увеличения сил трения), упорядочения и, очень часто, уменьшения энергии дефекта упаковки. В результате коэффициент деформационного упрочнения и уровень напряжений течения поликристаллических сплавов - твердых растворов оказываются более высокими, чем у чистого металла.

Количественно разница в уровнях напряжения течения и в деформационном упрочнении поликристаллов чистого металла и твердого раствора колеблется в широких пределах и определяется типом решетки и различием таких уже рассмотренных параметров, как энергия дефекта упаковки, размерное и электрохимическое несоответствие атомов растворителя н добавки, степень порядка и др. Например, при комнатной температуре коэффициент упрочнения г. ц. к. поликристаллов NisFe, CusAu и AusCu с упорядоченной структурой примерно в два раза больше, чем в отсутствие дальнего порядка. В то же время упорядочение сплавов с о. ц. к. и г. п. решетками слабо сказывается на деформационном упрочнении. Ясно, что увеличение разницы в энергиях дефекта упаковки сплава и исходного металла, а также степени атомного несоответствия легирующего элемента и основы должно при прочих равных условиях усиливать различия в деформационном упрочнении.

Чем ниже температура испытания, тем более значительны эти различия твердых растворов и чистых металлов. Но если они обусловлены упорядочением, то влияние температуры становится неоднозначным; еслн с повыше-.

нием температуры степень порядка растет, разница в деформационном упрочнении усиливается, и наоборот.

Легирование растворимыми элементами, снижая энергию дефектов упаковки, увеличивает вероятность динамической рекристаллизации прн горячей деформации с соответствующим изменением характера кривых деформации.

Частицы избыточных фаз могут еще более существенно, чем растворенные атомы, влиять на пластическую деформацию во всем интервале гомологических температур. Обычно в сплавах они находятся в окружении матрицы - твердого раствора на базе основного металла - и являются эффективными барьерами для скользящих в матрице дислокаций.

Легирующие элементы, вызывающие образование избыточных фаз, усиливают деформационное упрочнение с самого начала пластического течения. При наличии достаточно большого количества дисперсных частиц стадия легкого скольжения может быть полностью подавлена, и кривая упрочнения монокристалла имеет тот же вид, что и у поликристалла. Частицы здесь тормозят дислокации уже на начальных этапах деформации, способствуя множественному скольжению. По мере деформации таких сплавов степень упрочнения может возрастать за счет образования дислокационных петель между частицами и соответствующего уменьшения «эффективного» расстояния между ними. Частицы второй фазы затрудняют как консервативное скольжение дислокаций, так и переход их в новые плоскости путем поперечного скольжения н переползания. Поэтому они способствуют увеличению коэффициента упрочнения н росту напряжений течения на всех Стадиях деформации и практически при всех температурах (хотя, конечно, с повышением температуры их упрочняющее действие ослабляется).

Как известно, дислокации могут преодолевать частицы избыточной фазы либо путем их перерезания, либо путем обхода с образованием дислокационных колец вокруг этих частиц. Перерезание возможно в том случае, если решетка частицы когерентна матрице, как, например, у выделений, образующихся на ранних стадиях старения. Вторым условием перерезания является настолько малое расстояние между когерентными частицами, чтобы дислокация не могла пройти между ними.

Если расстояние между когерентными выделениями становится больше некоторого критического, оии обходятся дислокациями так же, как некогерентные частицы вто-

рой фазы. В этом случае напряжение, необходимое для проталкивания дислокаций между частицами, обратно пропорционально расстоянию между ними.

В зависимости от способа преодоления дислокациями частиц второй фазы наблюдаются определенные различия в картине пластической деформации. При действии механизма перерезания деформация идет по меньшему числу систем скольжения, где действуют достаточно высокие приведенные напряжения сдвига. Локализация деформации выражается в меньшем числе линий и полос скольжения, располагающихся на относительно большом расстоянии друг от друга. При этом довольно быстро образуются мощные дислокационные скопления, способствующие преждевременному разрушению.

При обходе частиц пластическая деформация более равномерна, и в результате деформационная способность сплава оказывается выше.

Как известно, при пластической деформации резко увеличивается концентрация точечных дефектов, в первую очередь вакансий. Это приводит к ускорению диффузионных процессов при испытании. В технических сплавах ускорение диффузии во время испытания проявляется особенно часто и имеет важное значение. Это относится в первую очередь к тем сплавам, в которых возможны диффузионные фазовые превращения. Последние (особенно при повыщенных температурах испытания) могут вызывать различные аномалии упрочнения: например, в стареющих сплавах повышение температуры в определенном диапазоне ведет ие к снижению, а к повышению напряжений течения и коэффициента деформационного упрочнения однофазного до испытания материала.

В гетерофазных сплавах с высокодисперсной структурой одновременное воздействие напряжений и повышенных температур вызывает уже упоминавшийся эффект сверхпластичности. Типичный пример - двухфазный мо-нотектоидный сплав цинка с 22 % А1 с размером кристаллов обеих фаз около 1 мкм, на котором и было открыто А. А. Бочваром и 3. А. Свидерской явление сверхпластич-ности. При 473-543 К и определенном интервале скорое-* тей деформации образцы этого сплава проявляют все признаки сверхпластической деформации.

Вопросы влияния растворенных атомов и частиц избыточных фаз иа напряжение течения, имеющие очень большое практическое значение, будут более подробно рассмотрены в гл. V.

Глава IV РАЗРУШЕНИЕ

В большинстве случаев деформация по достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения начинается с образования трещин субмикроскопическнх размеров и заканчивается макроскопическим разделением образца или конструкции на Отдельные части. Ряд важнейших механических свойств металлов и сплавов характеризует нх сопротивление разрушению, величину или работу деформации до разрушения.

1. Виды разрушения металлов

В гл. i показано наличие трех видов напряжений: сжимающих (отрицательных нормальных), растягивающих (положительных нормальных) и касательных. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызвать разрущения. Оно происходит под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроскопических теориях прочности различают введенные И. И. Давиденковым два вида разрушения: I) отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием касательных напряжений.

В табл. 9 представлены схемы ряда испытаний. Пользуясь табл. 9 можно по внешнему виду разрушенных образцов определять вид разрушения (отрыв или срез), что в некоторых случаях имеет практическое значение. Но представленные схемы разрушения могут быть точно реализованы лишь в том случае, если заданная прн нагружении схема напряженного состояния остается неизменной от начала испытания и до окончательного разрушения образца. На самом деле эта схема может меняться как в процессе пластической деформации (например, при образовании шейки в растягиваемом образце, см. табл. I), так и в процессе разрушения в результате развития трещин. Поэтому вид разрушенных образцов часто отличается от предсказываемого. В таких случаях необходимо изучать направление развития трещин на начальных стадиях разрушения. Если схема напряженного состояния при дефор-* нации не меняется до разрушения, то по этим направле* ниям можно оценить, начинается ли разрушение под действием нормальных или касательных напряжений.

Считается, что отрыв может произойти без предвари-*

Таблица 9

Схемы разрушения путем отрыва и среза при различных механических испытаниях (по Я. Б. Фридману)

Растяжение

Сжатие*

Кручение

Изгиб

При наличии контактных сил трения.

тельной макропластической деформации, в то время как разрушению путем среза такая деформация всегда предшествует. Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез - вязкому (пластичному) разрушению. Именно на эти два типа подразделяется большинство случаев разрушения в металловедении. Кроме хрупкого и вязкого, рассматриваются еще два более специфических типа разрушения - усталостное (см. гл. IX) и разрушение при ползучести (см. гл. VIII).

Условия перехода от хрупкого отрыва к вязкому срезу в механике описываются различными схемами механического состояния, отражающими зависимости между напря-

жениями и деформациями в различных условиях нагружения. Наиболее универсальной является диаграмма механического состояния, предложенная Я. Б. Фридманом (рис. 51). Она учитывает, во-первых, способ нагружения через

уже известный нам коэффициент мягкости a = /max/5max во-вторых, - отношение сопротивления отрыву Sor к сопротивлению срезу /ср. Если SoTcp, то материал должен быть склонен к хрупкому разрушению путем отрыва, а если SoTtcp, то должно наблюдаться вязкое разрушение путем среза. При 5от»/ср склонность материала к обоим ви-

*тах

Рис- 51- Диаграмма механического состояния материалов при раэличных-очень жестком (Л), жестком {£), мягком (S) - способах нагружения;

/ - вдавливание; 2 - сжатие; .3 - кручение; 4 -• растяжение

дам разрушения будет близкой. Типичные значения Sot и /ср некоторых материалов даны в табл. 10. Наибольшей склонностью к хрупкому разрушению будет обладать карбид вольфрама, у которого /ср-от. Наоборот, отпущенный при 500 °С хромансиль в большинстве случаев разрушается вязко, так как 5от/ср-

Диаграмма механического состояния (см. рис. 51) состоит из двух частей. Левая служит для оценки жесткости схемы напряженного состояния по отношению а = = /max/5g, а правая является кривой деформации в координатах /max-max- Способ нагружеипя, хзрактернзуемый определенным значением а, изображается на левой части диаграммы лучом, наклоненным под углом а относительно горизонтальной оси. В качестве примера на рис. 51 пуик-