Главная -> Словарь

Деформационного упрочнения

Тонкие структурные изменения, происходящие при коррозионной усталости, являются следствием механохимических процессов, имеющих автокаталитический характер: деформационное упрочнение поверхности металла, повышая его химический потенциал, приводит к ускоренному механохимическому растворению запирающего слоя, то есть к стимуляции хемомеханического эффекта. Последний, в свою очередь, за счет пластифицирующего действия способствует более энергичному деформационному упрочнению поверхностных слоев металла и последующему еще более ускоренному механохимическому их растворению и повторению описанного цикла. Уровень микроискажений кристаллической решетки при этом колеблется по амплитуде более интенсивно, чем на воздухе, вызывая ускоренное коррозионно-усталостное разрушение. Коррозионно-усталостная долговечность в итоге оказывается примерно в 2 раза меньше, чем долговечность на воздухе. Наблюдается аналогичная зависимость и микротвердости от числа циклов нагружения этой стали.

Прирост напряжений при увеличении деформации характеризует деформационное упрочнение металла, т.е. da/ds= E" . В пределах упругой деформации da/ds = Е . В области площадки Е = 0. По мере роста s модуль упрочнения изменяется по сложной кривой, характер которой зависит от исходной структуры металла, формы и размеров образца, температуры испытаний, скорости деформации, схемы напряженного состояния и др. При соблюдении условия простого нагружения кривая упрочнения, построенная с использованием инвариантных величин а,- и е,- имеет один и тот же вид независимо от формы и размеров образцов, схемы напряженного состояния . Известно, что макропластическая деформация возникает в результате накопления пластических сдвигов, являющихся следствием инициирования, перемещения и

Плотность дислокаций на стадии легкого скольжения растет пропорционально степени деформации. Деформационное упрочнение обусловлено взаимодействием пара-лельных или лежащих в параллельных плоскостях сдвига

дислокаций. При этом единственным источником упрочнения являются дислокационные диполи , вызывающие направленные искажения, блокирующие перемещение дислокаций. Стадия легкого скольжения заканчивается образованием достаточно большого количества диполей и связанных с ними трехмерными клубками дислокаций, способствующих к возникновению скольжения по системам, пересекающим первичную. Другими словами, существует некоторая критическая плотность дислокаций, по достижению которой скольжение происходит по вторичным системам скольжения, что приводит к резкому росту упрочнения за счет взаимодействия пересекающихся дислокаций. При этом плотность дислокаций с увеличением деформации возрастает быстрее, чем линейная функция. Длина свободного пробега дислокаций непрерывно уменьшается, что подтверждается данными об уменьшении длины линий скольжения. На этой стадии упрочнения эффекты динамического возврата незначительны, поэтому деформационное упрочнение, как и на стадии легкого скольжения, соответствует линейному закону, то есть —- = const = E'. Величина Е" не зависит от dEj

При скольжении дислокации испытывают тормозящее воздействие со стороны леса дислокаций, дислокаций Ломера-Коттерелла и др. Поэтому при деформации образуются дислокационные скопления. Причем на головную дислокацию действует напряжение TI = тп. Концентрация напряжений равна п заторможенных дислокаций. Таким образом, по мере развития деформаций по разным причинам усиливается торможение дислокаций, вызывающее рост напряжений . С позиции дислокационной теории рассмотрим основные уравнения для оценки деформационного упрочнения сталей.

Прирост напряжений при увеличении деформации характеризует деформационное упрочнение металла, т. е. da/ds . В пределах упругой деформации do/ds = Е. В области площадки текучести do/de = 0. По мере роста s модуль упрочнения da/ds = Е' изменяется по сложной кривой, характер которой зависит от исходной структуры металла, формы и размеров образца, температуры испытаний, скорости деформации, схемы напряженного состояния и др. Заметим, что при соблюдении условия простого нагружения кривая упрочнения для данного металла, построенная с использованием инвариантных величин ai и Si , имеет один и тот же вид независимо от формы и размеров образцов, схемы напряженного состояния . Как было показано выше, макропластическая деформация возникает в результате накопления пластических сдвигов, являющихся следствием инициирования, перемещения и

торможения дислокаций. Перемещение последних происходит не беспрепятственно, а с преодолением различных потенциальных барьеров. Повышение уровня напряжений, необходимых для преодоления барьеров при пластическом деформировании, связывают с явлением деформационного упрочнения. Наряду с повышением сопротивления деформированию отмечаются факторы, снижающие напряжение текучести, связанные с понижением числа и высоты барьеров. Это явление называют возвратом. Возврат, идущий при холодной деформации, называется динамическим. В зависимости от степени пластической деформации в металле образуются различные дислокационные структуры, и в связи с этим на кривых упрочнения а = f выделяют характерные стадии деформационного упрочнения: 1- стадия легкого скольжения; 2 - быстрого деформационного упрочнения; 3 - динамического возврата. Естественно, такое разделение условно, поскольку на каждой стадии деформирования реализуются факторы, упрочняющие и разупрочняющие металл. В зависимости от того, какие факторы проявляются интенсивнее, и производят деление на отдельные стадии деформации металла. На стадии легкого скольжения упрочнение носит линейный характер do/de = const = Е'. Однако модуль упрочнения Е' настолько мал , что можно полагать металл на стадии легкого скольжения неупрочняемым. На диаграмме растяжения эта стадия соответствует так называемой площадке текучести. Основной вклад в деформацию вносят дислокации, прошедшие через весь кристалл и вышедшие на поверхность. При этом длина свободного пробега дислокации постоянна и достигает значительных величин . Плотность дислокаций на стадии легкого скольжения растет пропорционально степени деформации. Деформационное упрочнение обусловлено взаимодействием параллельных или лежащих в параллельных плоскостях сдвига дислокаций. При этом глав-

ным источником упрочнения являются дислокационные диполи , блокирующие перемещение дислокации. Стадия легкого скольжения заканчивается образованием достаточно большого количества диполей и связанных с ними трехмерными клубками дислокаций, способствующих возникновению скольжения по системам, пересекающим первичную. Другими словами, существует некоторая критическая плотность дислокаций, по достижению которой скольжение происходит по вторичным системам, что приводит к резкому росту упрочнения за счет взаимодействия пересекающихся дислокаций. При этом плотность дислокаций с увеличением деформации возрастает быстрее, чем линейная функция. Длина свободного пробега дислокаций непрерывно уменьшается, что подтверждается данными об уменьшении длины линий скольжения. На этой стадии упрочнения эффекты динамического возврата незначительны, поэтому деформационное упрочнение, как и на стадии легкого скольжения, соответствует линейному закону, то есть dc/de = Е' = const. Величина Е' не зависит от условий растяжения, скорости и температуры испытаний и равна примерно 1О2 G. Таким образом, модуль упрочнения на стадии быстрого упрочнения примерно на два порядка больше, чем на стадии легкого скольжения. Высокая скорость упрочнения объясняется образованием большого количества коротких линий скольжения, дислокации которых создают скопление перед барьерами внутри кристалла. Такими барьерами могут быть барьеры Ломера-Коттерелла, обусловленные поперечным скольжением . Критическое напряжение, при котором начинается стадия III, сильно зависит от температуры, поскольку поперечное скольжение требует термической активации. На стадии динамического возврата происходит массовое двои-

1 Таким образом, пластичность сталей обусловлена процессами сдвига структурных элементов в результате перемещения, аннигиляции и инициирования дислокаций. Деформационное упрочнение обусловлено преодолением различного рода потенциальных барьеров при перемещении дислокаций. Дислокации обладают большими собственными энергиями и создают высокие дальнодействующие напряжения. Они являются промежуточным звеном между работой внешних сил и трещинами. Следовательно, в дислокациях запасается энергия, которая затем переходит в энергию свободной поверхности.

В ходе гидро- или пневмоиспытаний оборудования, при рабочих перегрузках, а также при локальном .перенапряжении элементов конструкции возможно охрупчивание материала. Это приводит к повышению предела текучести ат, т. е. к уменьшению способности материала релаксировать повышеннные напряжения по механизму пластической деформации. Часто это явление сопровождается деформационным старением, результатом которого является повышение временного сопротивления ав. В совокупности эти процессы увеличивают риск возникновения хрупкой трещины и тем самым снижают надежность оборудования. Поэтому для ответственного, длительно работающего оборудования всегда актуальной остается задача периодического контроля механических свойств материала и оценки степени их отклонения

Взвеси и растворы частично тиксотропны, но вязкость и предельное напряжение сдвига обычно полностью не восстанавливаются, что указывает на тиксолабильность. Обнаружена рео-пексия . Тиксо лабильность и рео-пексия подтверждают структурный механизм аномалии вязкости. Однако вискозиметрические, и вообще реологические, измерения не позволяют количественно оценить вклад дисперсионной среды, а тем самым граничных слоев, во взаимодействие частиц парафина в углеводородных жидкостях, так как трудно отделить ее влияние на связь частиц от влияния на их размер и форму . Аналогичная проблема возникает при исследовании многих других дисперсных систем .

k - коэффициент деформационного упрочнения;

На практике для определения количества циклов на стадии стабильного развития трещины производят интегрирование уравнения . Использование только критической длины трещины, найденной через критический коэффициент интенсивности напряжения, в качестве верхнего предела интегрирования, без учета деформационного упрочнения и реальной геометрии трубы, некорректно. Прямое использование классических методов линейной механики разрушения для тонкостенных сосудов давления, изготовленных из высоковязких сталей, какими являются современные магистральные трубопроводы, приводит к результатам, не имеющим физического смысла. Так, в работе рассчитанная критическая глубина трещины составляет около километра . Для нахождения верхнего предела интегрирования уравнения Пэриса используем силовой и деформационный критерии линейной и нелинейной механик разрушения .

Подставляя в и приняв а = 1 с учетом деформационного упрочнения и реальной геометрии трубы , получаем

Следует отметить, что в процессе разрушения стали по достижении предела текучести наступает стадия деформационного упрочнения. В качестве параметра, характеризующего протекание этой стадии, используется коэффициент деформационного упрочнения . Для стали группы прочности Х52 k = 0,15. На основании вышеизложенного нами предложено следующее соотношение для нахождения текущего напряжения через коэффициент деформационного упрочнения

где k -- коэффициент деформационного упрочнения ;

Коррозионно-механическая стойкость и долговечность работы любого металлического оборудования в основном определяются изменениями, происходящими в тонкой структуре металла при его изготовлении и эксплуатации под воздействием механических напряжений, как правило, сопровождающихся одновременным воздействием окружающей коррозионно-активной среды. Величина и характер этих изменений существенно влияют на физико-механические и электрохимические свойства металлов, вызывая значительные отклонения параметров его исходного состояния. Это может привести к материально-техническим потерям из-за преждевременного выхода из строя металлического оборудования и необходимости его замены еще до выработки нормативного срока службы. Особенно интенсивно изменения субструктуры металла происходят при действии переменных нагрузок, причем эти изменения отличаются сложной кинетикой протекания , включающей в себя чередование стадий деформационного упрочнения и разупрочнения. Этот факт при общепринятой оценке усталостной долговечности не учитывается, и на макроуровне все материалы однозначно делятся на циклически упрочняющиеся, циклически стабильные и разупрочняю-щиеся. Поэтому при определении усталостной долговечности материалов различного оборудования необходим тщательный учет состояния их тонкой структуры в течение всего времени эксплуатации при заданных параметрах нагружения. Это возможно выполнить, так как существующие физические и электрохимические методы исследований инструментально позволяют оценить локальные явления при усталости и коррозионной усталости. Между тем существующие нормы и методы расчета на прочность и долговечность оборудования, работающего в сложных, периодически изменяющихся, зачастую осложненных действием коррозионной среды условиях

В ходе эксперимента были измерены скорости коррозии металлов в ненапряженном состоянии v0 и на стадии, предшествующей началу деформационного упрочнения VCT , по токовому показателю с его последующим пересчетом в массовый в соответствии с законом Фарадея. Отдельные результаты приведены в табл. 8.1.

где атр - параметр трещиностойкости стали; Сип- константы деформационного упрочнения стали; Ни i-критическая глубина и длина дефекта; 8ф - фактическая толщина стенки цилиндрической обечайки; g - константа . Параметр трещиностойкости атр определяется по формуле :

взаимодействия дислокаций. Перемещение последних происходит не беспрепятственно, а с преодолением различных потенциальных барьеров. Повышение уровня напряжений, необходимых для преодоления барьеров при пластическом деформировании связывают с явлением деформационного упрочнения. Наряду с повышением сопротивления деформированию отмечаются факторы, снижающие напряжение текучести, связанные с понижением числа и высоты барьеров. Это явление называют возвратом. Возврат, идущий при холодной деформации называется динамическим. В зависимости от степени пластической деформации в металле образуются различные дислокационные структуры и в связи с этим на кривых упрочнения выделяют характерные стадии деформационного упрочнения: 1 - стадия легкого скольжения; 2 - быстрого деформационного упрочнения; 3 - динамического возврата. Естественно, такое разделение условно, поскольку на каждой стадии деформирования реализуются факторы, упрочняющие и разупрочняющие металл. В зависимости от того, какие факторы проявляются интенсивнее, и производят деление на отдельные стадии деформации металла. На стадии легкого скольжения упрочнение носит линейный характер Е = const. Однако модуль упрочнения Е настолько мал , что на стадии легкого скольжения можно полагать металл неупрочняемым. На диаграмме растяжения эта стадия соответствует, так называемой, площадке текучести. Основной вклад в деформацию вносят дислокации, прошедшие через весь кристалл и вышедшие на поверхность. При этом длина свободного пробега! дислокации постоянна и достигает значительных величин .

При больших деформациях различие в кривых ai незначительно. Таким образом, анализ взаимодействия дислокационных структур на различных стадиях деформации позволяют установить зависимость деформационного упрочнения от степени пластической деформации.

где m - коэффициент деформационного упрочнения стали.