книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

Г л а ва 6

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Склонность к хладноломкости характерна для металлов и сплавов, основная фаза которых имеет решетку объемноцентрированного куба [176]. Из металлов, получивших широкое распространение в технике, такую структуру имеют железо, молибден, хром и вольфрам. Склонность к хладноломкости встречается также и у металлов с иной кристаллической структурой. К ним относятся гексаго­ нальный при комнатной температуре титан и тетраго­ нальное олово. Хладноломки также цинк и кадмий, имеющие гексагональную решетку.

Наличие у металла определенной кристаллической ре­ шетки, например объемноцентрированной кубической, яв­ ляется необходимым, но не достаточным условием появле­ ния низкотемпературной хрупкости. Для этого нужно также наличие некоторого количества примесей, образую­ щих твердые растворы внедрения [26, 254, 272].

Накопленный в литературе экспериментальный мате­ риал позволяет систематизировать наблюдаемые особен­ ности деформирования металлов в условиях хладнолом­ кости и выделить из них основные в формирования явле­ ния хладноломкости. К таким следует отнести:

сильную температурную зависимость напряжения те­ чения;

неоднородность пластической деформации и ее усиле­ ние с понижением температуры;

наличие пластической деформации, предшествующей хрупкому разрушению;

отсутствие дискретных изменений в микромеханизме деформирования при переходе из вязкого состояния в хрупкое.

141

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАПРЯЖЕНИЕ ТЕЧЕНИЯ

Сам факт сильной температурной зависимости напря­ жения течения для металлов с решеткой ОЦК известен давно и подтвержден многочисленными экспериментами. Для железа, например, при изменении температуры от +20 до —196° С предел текучести увеличивается более чем в 3 раза (рис. 86). Повышение скорости деформирова­ ния при низких температурах также приводит к увели­ чению напряжения течения, что видно из рис. 87.

Дислокационный механизм температурной зависимости предела текучести железа, содержащего в качестве при­ месей внедрения углерод и азот, был впервые предложен Котреллом [211] и получил дальнейшее развитие в рабо­ тах Котрелла и Билби [212], Луэта и других авторов [237, 283].

Известно, что примеси внедрения в металлах с ОЦК решеткой очень сильно взаимодействуют с краевыми дис­ локациями [12, 80, 186, 211, 237, 283]. Результатом этого взаимодействия является сегрегация атомов примеси у дис­ локаций. В случае твердого раствора внедрения упругое искажение решетки вблизи примесного атома вне зависи­ мости от соотношения между ионными радиусами атомов решетки и примеси всегда будет положительно. В ра-

142

боте [212] показано, что энергия взаимодействия дисло­ кации с примесным атомом

упругого поля дислокации в точке размещения атома при­ меси; crxx, ауу, огг — диагональные компоненты тензора напряжений поля дислокации; А — постоянная пропор­ циональности; АV — прирост объема элементарной ячейки при внедрении примеси.

Наличие взаимодействия между дислокацией и при­ месями вызывает направленный дрейф последних в растя­ нутые области дислокации. Для компенсации упругого поля дислокации, т. е. образования насыщенной атмо­ сферы Котрелла, требуется незначительное количество примеси. Так, при плотности дислокаций даже 1012 линий/см2, что соответствует сильно деформированному со­ стоянию, требуются всего лишь сотые доли процента примеси внедрения. Сегрегация примеси у дислокаций блокирует дислокации и затрудняет их движение. Течение, по Котреллу [80], начнется тогда, когда внешнее напря­ жение достигнет уровня, достаточного для освобождения дислокаций от удерживающих их атмосфер примесных атомов. Это напряжение соответствует верхнему пределу текучести. Дальнейшее течение будет осуществляться при напряжениях нижнего предела текучести, так как для продвижения освобожденных дислокаций требуется мень­ шее напряжение.

Причина сильной температурной зависимости предела текучести хладноломких металлов заключается, согласно дислокационной теории [237], в том, что при понижении температуры уменьшается величина тепловых флюктуа­ ций и для вырыва дислокационной петли из ее примесной атмосферы требуется большее внешнее напряжение. Со­ гласно [283] энергия активации процесса скольжения является функцией напряжения и может быть представ­ лена выражением

где Е 0— некоторая постоянная; а 0 — предел текучести при абсолютном нуле; а — приложенное напряжение.

В работах [12, 186, 211, 212, 283] предложены не­ сколько иные выражения для энергии активации, однако

143

все они приводят к качественно одинаковому характеру температурной зависимости предела текучести.

На основе выражения (2) и условия а = -гг- = const

получена следующая зависимость предела текучести от температуры [283]:

турная^зависимость предела текучести должна быть менее сильной. Это предсказание согласуется с эксперименталь­ ными наблюдениями [96]. Некоторое время после появле­ ния работ Котрелла, Луэта и других авторов считалось, что сильная температурная зависимость напряжения те­ чения стали обусловлена температурной зависимостью прочности блокировки дислокаций примесными атомами. Получаемые на основе этой гипотезы функциональные за­ висимости о т = f (Г), например уравнение (3), хорошо

144

согласовались с экспериментом. Последующие исследова­ ния [273] температурной зависимости напряжения тече­ ния стали с различными размерами зерен поставили, од­ нако, под сомнение правильность использованных в рабо­ тах [211, 212] предпосылок.

Петчем и другими авторами было показано, что напря­ жение течения может быть выражено через размер зерна

чительном понижении температуры замечен рост вели­ чины этого коэффициента [126, 232].

Используя оригинальную методику исследования ста­ рения армкожелеза после предварительной деформации, Ярошевич отделил влияние сил связи дислокаций с ато­ мами примеси от сил трения, препятствующих движению свободных дислокаций, не прибегая к исследованию стали с различным размером зерна [186]. Это позволило пока­ зать, что основной вклад в температурную зависимость напряжения течения вносит сопротивление движению осво­ божденных от атмосфер дислокаций (рис. 90). Работа [186] интересна тем, что в ней не используется уравнение (4)

где cri не зависит от температуры и для стали на нижнем

однако отдать предпочтение какой-либо из них пока трудно.

146

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЛОКАЛИЗАЦИЮ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Пластическая деформация всех поликристаллических металлов протекает очень неоднородно. Эта неоднород­ ность наблюдается как в микро-, так и в макрообъемах. В ряде работ было показано, что даже в пределах одного кристалла величина пластической деформации в отдель­ ных микроучастках может существенно отличаться от сред­ ней деформации [124]. По характеру протекания процесса пластического деформирования металлов можно, в соот­ ветствии с указанным И. А. Одингом, различить локали­ зацию двух родов. Локализация первого рода характерна для начальной стадии деформирования, когда деформация происходит не по всей длине образца одновременно. Лока­ лизация второго рода заключается в том, что все части образца деформируются одновременно, но на различную величину.

Наиболее ярко выражена локализация пластической деформации у хладноломких металлов, обладающих, как известно, площадкой текучести [1241. Известно также, что разрушение в условиях хладноломкости совершается при напряжениях, соответствующих пределу текучести [151, 1731

При заданных условиях деформирования (скорость и температура) существует определенной величины средняя критическая деформация, на которую локально удли­ няются отдельные макрообъемы металла. Величина кри­ тической деформации численно равна длине площадки те­ кучести, выраженной в процентах относительного удлине­ ния. Критическая деформация для ОЦК металлов является величиной структурно чувствительной и существенно зави­ сит от температуры и скорости деформирования [123]. На рис. 91 и 92 представлены температурная и скоростная за­ висимости ширины площадки текучести, рассчитанные из диаграмм деформации для малоуглеродистой стали. По­ нижение температуры ниже комнатной вызывает суще­ ственное увеличение критической деформации. В этой же температурной области повышение скорости деформирова­ ния увеличивает локализацию деформации. Для метал­ лов, не склонных к хладноломкости, критическая дефор­ мация находится на уровне 0,2% и слабо зависит от тем­ пературы.

Значительный интерес для понимания низкотемпера­ турной хрупкости металлов представляют микроструктурные особенности процесса деформирования на площадке текучести. Этому вопросу посвящено большое число иссле­ дований [48, 73, 97, 115, 121, 145, 149].

В работах В. С. Ивановой [59, 115] методом кино­ съемки было показано, что перемещение линий Чернова— Людерса происходит скачкообразно, со скоростью, во много раз превышающей скорость движения захватов

* N

\

испытательной машины. Временная неоднородность пла­ стической деформации на пределе текучести наблюдалась также Рожанским и другими авторами. Измерение микро­ твердости армко-железа по телу зерна и его периферии после деформации, а также изучение микроструктуры деформированных образцов позволило авторам работы [115] сделать вывод о том, что на площадке текучести не происходит массовых сдвигов в теле зерна, а деформация обусловлена взаимным относительным перемещением зе­ рен. Этот вывод не убедителен, так как в последующих работах было показано, что сдвиговая деформация наблю­ дается при любой температуре и значительно усиливается в области низких температур [122]. По данным Б. С. Ка­ саткина, в начальной стадии деформации в теле зерна наблюдаются очень тонкие полосы скольжения, которые не разрешаются световым микроскопом.

Рентгенографическими исследованиями структуры де­ формированных при низких температурах ОЦК металлов было показано, что на начальных участках деформирова­

148

ния происходит очень интенсивное дробление блоков и рост остаточных напряжений. Смирнов [50], исследуя внутренние напряжения деформированных образцов, при­ шел к выводу, что, помимо дробления блоков и роста оста­ точных напряжений, деформация при низких температу­ рах сопровождается также появлением упругих напряже­ ний, которые снимаются при отогревании образцов до комнатной температуры. На сильную микронеоднород­ ность поля напряжений в железе, деформированном при низкой температуре, указывается в работе [122].

Детальный анализ неоднородности пластической де­ формации в кристаллитах крупнозернистой стали с малым и средним содержанием углерода выполнен Пашковым и Братухиной [124]. Основные выводы этого исследования сводятся к тому, что пластическая деформация неодно­ родна внутри одного зерна, причем деформация на гра­ нице может быть и меньше, и больше деформации в центре зерна.

Нами исследованы микроструктуриые особенности про­ цесса деформации армко-железа на площадке текучести в интервале температур от 20 до —196° С при скоростях де­ формирования от 0,031 до 10 мм/мин. Перед деформирова­ нием поверхность отожженных образцов травили на выяв­ ление границ зерен и на рабочую часть образца прибором ПМТ-3 наносили риски или отпечатки индентором с интер­ валом 0,05 мм. Изучение микроструктуры образцов в пла­ стически деформированных областях позволило устано­ вить, что чем ниже температура деформирования, тем за­ метнее становятся линии сдвига внутри зерен. При этом относительного смещения зерен вдоль границ не наблю­ дается. Риски испытывают на границах зерен лишь пере­ лом с изменением направления примерно до 8° (рис. 93). Это свидетельствует о том, что наряду со сдвиговой де­ формацией происходит небольшой поворот одних зерен относительно других.

Влияние температуры на распределение локальной де­ формации в микроучастках вдоль пластически деформи­ рованной части образца показано на рис. 94. Как видно, понижение температуры приводит к сильному возраста­ нию неоднородности деформации. На некоторых микро­ участках деформация достигает 20%, что близко к исчер­ панию пластичности армко-железа. По-видимому, появле­ ние столь высоких деформаций на отдельных участках

149