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

месных атмосфер дислокаций. Если теперь после разгрузки от точки А образец выдержать при комнатной или слегка повышенной температуре, т. е. дать время для конденсации примесей на дислокациях, то при новом растяжении па диаграмме опять появится зуб и площадка текучести.

Таким образом, теория Коттрелла связывает резкую текучесть с деформационным старением-закреплением дис-

Рис. 91. Устранение резкой текучести предварительной пластической деформацией

Рис. 92- Кривая растяжения, во время которого идет динамическое деформационное старение

локаций примесями. Если деформационное старение успевает проходить в процессе деформации (динамическое деформационное старение), то на кривой растяжения может появиться несколько зубов -плавность деформационного упрочнения нарушается (рис. 92). Такое скачкообразное изменение сопротивления деформации объясняется периодической задержкой дислокаций у различных барьеров, во время которой примесные атомы успевают продиффуидиро-вать к дислокациям, способствуя их дополнительному закреплению. Для продолжения деформации необходимо существенно повышать напряжение (до вершины очередного зуба), а когда оно окажется достаточным для разблокировки дислокаций, последние могут двигаться иод действием более низких напряжений (очередной минимум на кривой растяжения). Затем подвижные дислокации вновь тормозятся, блокируются, и ситуация повторяется.

Ранее предполагалось, что после разблокировки пластическая даформация, по крайней мере вначале, осуществляется путем скольжения этих «старых», но теперь освобожденных от примесей дислокаций. Однако для ряда материалов установлено, что исходные дислокации могут быть настолько прочно закреплены, что их разблокировки не происходит и пластическая деформация на площадке текучести идет за счет движения вновь образовавшихся дислока-

б. МПа

600 -

ций. Кроме того, образование зуба и площадки текучести наблюдается у бездислокационных кристаллов - «усов». Следовательно, теория Коттрелла описывает лишь частный, хотя и важный случаи проявления резкой текучести.

Основой современной общей теории резкой текучести, которую еще нельзя считать окончательно установившейся, является все то же положение, выдвинутое Коттреллом: зуб и площадка текучести обусловлены резким увеличением числа подвижных дислокаций в начале пластического течения. Это значит, что для их появления требуется выполнение двух условий: 1) в исходном образце число подвижных дислокаций должно быть очень малым, и 2) оно должно иметь возможность быстро увеличиться но тому или иному механизму в самом начале пластической деформации.

Недостаток подвижных дислокаций в исходном образце может быть связан либо с высоким совершенством его субструктуры (например, в усах), либо с закреплением большинства имеющихся дислокаций. По Коттреллу, такое закрепление может быть достигнуто образованием примесных атмосфер. Возможны и другие способы закрепления, например частицами второй фазы. Зависимость высоты зуба текучести от числа подвижных дислокаций в исходном образце убедительно доказывают опыты с металлическими усами (рис. 93) и кристаллами LiF. В бездислокационных усах верхний предел текучести приближается к значениям теоретической прочности. Но как только достигается напряжение, достаточное для начала образования дислокаций, напряжение течения резко (иногда на порядок и больше) падает. В кристаллах LiF методом ямок травления возможно отделение подвижных дислокаций от закрепленных. Для этого материала удалось построить экспериментально зависимость высоты зуба текучести (от.в-ат.н)/ат.в от плотности подвижных дислокаций. С увеличением этой плотности в определенном диапазоне . происходит плавное

8 .7о

Рис. 93. Диаграмма растяжения нитевидного монокристалла меди (Джонстои, Гилман)

уменьшение высоты зуба, а при р>10см- он вообще не появляется.

Резко увеличиться число подвижных дислокаций может: 3) за счет разблокировки ранее закрепленных дислокаций (отрыв от примесных атмосфер, обход частиц поперечным скольжением и т. д.); 2) путем образования новых дислокаций; 3) путем их размножения в результате взаимодействия. Последние два способа увеличения плотности подвижных дислокаций могут реализоваться по всем известным механизмам: генерированием источниками Франка-Рида, границами зерен, частицами второй фазы, размножением путем двойного поперечного скольжения, рекомбинацией и т. д.

В общем виде возможность возникновения резкой текучести в материале с малой исходной плотностью подвижных дислокаций и быстрым ее увеличением в начале пластического течения описывается теорией Гана. Предположим, что наш образец растягивается с постоянной скоростью деформации. Его удлинение е состоит из упругой и пластической вп составляющих. Скорость упругой состав* ляющей удлинения ey=S/E, где 5 - скорость изменения напряжения; £ -модуль упругости. Скорость пластической составляющей удлинения €u~bLv, где L-общая длина подвижных дислокаций в единице объема, v-средняя скорость их движения.

Величина v сильно зависит от действующего напряжения: v = KS, причем постоянная п для металлов имеет порядок 10-10 (К-коэффициент). С учетом деформационного упрочнения v~K(S-два), где q = dS/deu-коэффициент деформационного упрочнения, а деп характеризует величину напряжений, действующих на скользящую дислокацию в результате упругого взаимодействия с другими дислокациями. По экспериментальным данным, L - Ke-{-

+Lo, где К и сс - постоянные; Lq -Длина подвижных дислокаций в объеме образца до начала растяжения.

В результате скорость деформации e=ey+en=S/£+ .+&/C(re«+Lo) (S-qe,)-,

При упругой деформации

S Еву, (54)

а при пластической

Sqe+ [е/КЬ [Ц + К . (55)

На рис. 94 показаны кривые, соответствующие уравнениям (54) и (55), а также суммарная диаграмма растяжения.

Зуб текучести образуется на ней из-за первоначального снижения S в соответствии с формулой (55), если минимум этой кривой лежит правее прямой S = Eey (см. рис. 94). Чем меньше п и длина (плотность) подвижных дислокаций Lq в исходном состоянии, тем выше будет зуб текучести. При типичных для железа значениях величин, входящих в уравнения (54) и (55), резкая текучесть должна быть заметна при Lo<10 см~ (/1=35), т. е. при очень низкой плотности подвижных дислокаций.

До сих пор, анализируя природу резкой текучести, мы рассматривали только дислокационные процессы внутри

рис, 94, Кривые напряжение - деформация, соответствующие уравнениям (S-i) н (55)

Рис. 95. Пластическая деформация в полосе Чернова - Людерса (по Мак Лину)

Кристаллов, не учитывая влияния границ зерен в поликристаллах и такую важную особенность деформации иа площадке текучести, как распространение полос Чернова - Людерса. Эти полосы появляются в результате выхода на Поверхность образца областей, внутри которых с высокой скоростью идет локализованная пластическая деформация. Ширина их обычно превышает несколько диаметров зерен и увеличивается по мере деформации. Первая полоса при отсутствии сильных концентраторов напряжений на поверхности или внутри образца возникает у одной из головок образца (рис. 95). Диаметр образца в месте образования полосы уменьшается на 0,1-0,2 мм, так что образующаяся ступенька играет теперь роль концентратора напряжений и в результате следующая полоса идет от исходной и т. д. В некоторых материалах деформация на площадке текучести идет путем распространения одной полосы Чернова - Людерса, охватывающей все сечение образца. Полосы Чер-

нова - Людерса имеют матовый оттенок и хорошо видны невооруженным глазом на блестящей поверхности образца.

Увязка микро- и макроскопической картины развития резкой текучести представляется следующим образом. Еще до достижения верхнего предела текучести в некоторых зернах, где максимальна концентрация напряжений (например, вблизи головок образца) и наиболее благоприятна ориентировка относительно растягивающей силы, начинают работать дислокационные источники илн разблокируются и начинают двигаться «старые» дислокации, имевшиеся в металле до начала испытания. Если исходный образец имеет достаточно совершенную субструктуру, подвижные дислокации относительно легко перемещаются по плоскостям скольжения, где касательные напряжения максимальны, и многие из них доходят до границ зерен. Здесь они тормозятся, образуя плоские или объемные скопления, напряжения от которых инициируют работу источников в соседнем зерне.

При макроскопически равномерном распределении напряжений момент перехода деформации через первую границу зерна считается началом распространения полосы Чернова - Людерса, и ему соответствует верхний предел текучести. При наличии же концентраторов напряжений полосы могут образовываться при более низких внешних напряжениях, и высота зуба текучести будет уменьшаться вплоть до полного исчезновения. Такая сильная зависимость величины От.в от концентраторов напряжений, которыми могут быть даже небольшие дефекты поверхности об разца нли включения внутри, приводит к относительно плохой воспроизводимости От.в (разброс значений От.н обычно значительно меньше). Следует также отметить чувствительность высоты зуба и длины площадки текучести к жесткости испытательной машины. На недостаточно жестких машинах зуб и площадка текучести могут совсем не выявляться при растяжении материалов, для которых характерна резкая текучесть в случае испытания на жесткой машине. Дело в том, что силоизмерительное устройство правильно фиксирует возникающие в образце усилия только при плавном нагружении. Фиксация же резкого спада нагрузки, который, в частности, происходит по достижении верхнего предела текучести, затруднена и определяется относительной жесткостью машины и образца. При иснытании на податливой машине, жесткость которой меньше, чем образца, силоизмерительное устройство фиксирует спад нагрузки, присущий машине, а не образцу. При большой разности в

жесткости машины и образца этот спад в машине становится настолько значительным, что не фиксируется силоизме-рительным устройством, и зуб текучести не выявляется.

В районе фронта (пунктир на рис. 95) распространения полосы Чернова-Людерса можно выделить четыре области. В первой из них деформация еще не началась, здесь наиряжение ие достигло От.в. Вторая область -это узкий слой непосредственно перед фронтом полосы, где напряжение равно или больше верхнего предела текучести, причем складывается оно из ат.и--<скат.в, где Оск - напряжение, обусловленное дислокационными скоплениями на концах полос скольжения. В третьей зоне только началась работа дислокационных источников, и скольжение идет в ограниченном числе систем (одной-двух). Наконец, четвертая область относится к уже иродеформированному материалу за фронтом полосы Чернова - Людерса, где напряжение равно От.н, во всех зернах здесь идет поперечное скольжение.

Пластическая деформация внутри полос Чернова - Людерса характеризуется большой скоростью, относительно высоким для подвижных дислокаций уровнем напряжений и значительным количеством почти мгновенно образующихся дислокаций (в отсутствие резкой текучести плотность дислокаций с увеличением деформации возрастает плавно и с гораздо меньшей скоростью).

В макромасштабе полосы Чернова - Людерса распространяются под углом -45° к оси образца, т. е. в нанрав-лении действия максимальных касательных напряжений.

Из рассмотрения механизма резкой текучести следует, что величина физического (нижнего) предела текучести определяется теми же основными факторами, что и значения условного предела текучести: сопротивлением перемещению дислокаций, размером зерен и легкостью передачи деформации через их границы.

Зависимость предела текучести от размера зерна является важнейшей в теории предела текучести поликристаллов. Границы зерен служат эффективными барьерами для движущихся дислокаций. Чем мельче зерно, тем чаще встречаются эти барьеры на пути скользящих дислокаций и большие напряжения требуются для продолжения пластической деформации уже иа начальных ее стадиях. В результате по мере измельчения зерна предел текучести возрастает. Многочисленные эксперименты показали, что нижний предел текучести

(56) 173