книги / Физическая природа пластической деформации

Видно, что боковые участки испытали незначительную деформа­

цию, а деформация центральных участков больше средней деформа­ ции образца.

Аналогичная картина получена при испытании образцов литой стали. Предварительная закалка, в принципе не обязательная, желательна для повышения прецизионности метода. С этой точки зрения следует рассматривать и использование повторной графитизации, поскольку металлографическое выявление пор в металлах сопряжено с известными экспериментальными трудностями [4].

Предлагаемый метод исследования неравномерности деформа­ ции удобен, так как предварительной обработкой можно получать структуру с разным числом пор в широком диапазоне размеров (от 100 мк и менее в поперечнике). При этом важно, чтобы выдержка при нагреве стали для деформации проводилась выше линии E'S' диаграммы Fe—С и была достаточной практически для полного растворения графита.

Влияние деформации на графитизацию стали может быть исполь­ зовано и для изучения деформации при температурах обработки ниже критических [2]. В этом случае следует применять сталь, не подвергавшуюся предварительной графитизации.

Метод графитизации стали может использоваться для исследо­ вания неравномерности деформации как в лабораторных, так и в про­ изводственных условиях.

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАННЕЙ СТАДИИ ПОЛЗУЧЕСТИ

Г Я • Козырский, В . Л. Кононенко

Вбольшом интервале температур

инагрузок, когда сдвиговый механизм деформации имеет решающее значение, существенную роль в процессе ползучести играют струк­ турные изменения, происходящие в начальные моменты ползучести. Именно на самой ранней стадии ползучести наблюдаются наиболь­

шее изменение микротвердости, разориентировки субструктуры и наибольший прирост относительной деформации [1,2]. В это время создается субструктура, определяющая дальнейшее поведение мате­ риала [3]. Поэтому несомненный интерес представляет исследование начальной стадии ползучести в зависимости от температуры и на­ грузки испытания.

В настоящей статье рассмотрены некоторые результаты рентге­ новского исследования поворотов зерен в процессе ползучести

и изменения угла разориентировки зерен на начальной стадии ползучести никеля и твердых растворов на его основе.

Материал и методика исследования. Исследовались образцы никеля чистотой 99,99% и сплавов Ni -г 1,65% Mo; Ni + 0,01 %В; Ni + 2,94%А1, имеющие после соответствующего отжига близкий исходный размер зерен (0,5—0,6 мм) и близкую исходную разориентировку зерен (1,3 10_3рад). Отожженные образцы помещались в вакуумную криповую установку, изготовленную на базе машины МП-4М[4], нагревались до температуры испытания и после нагру­ жения выдерживались под нагрузкой в течение 5 мин. Испытание на ползучесть проводилось при температурах 350, 450, 500, 550° С, при этом нагрузка варьировалась от 3 до 7,5 кг/мм2.

Перед испытанием по рентгенограммам, снятым по методу [5] с качающегося образца, определялась исходная разориентировка зерен и положение рефлексов от этих зерен на дебаевском круге. Методика определения разориентировки зерен описана в работе [51.

После испытания снова измерялась разориентировка зерен и положение рефлексов. Оказывается, отражения от отдельных зерен после деформации изменяют свое положение. Следовательно, в процессе ползучести зерна поворачиваются на некоторый угол.

Поворот зерна в образце можно описать, зная углы поворота нормали к какой-нибудь грани (с индексами Нк1) вокруг трех взаим­ но перпендикулярных осей. При съемке с качающегося образца на плоскую пленку [5] можно определять две составляющие пово­ рота грани вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в отражающей плоскости. При этом одна из осей совпадает с осью качания образца.

Угол поворота вокруг третьей оси, совпадающей с нормалью к грани (Лк/), можно определять путем съемки на цилиндрическую пленку 13].

Практически для определения поворота зерна в образце нужно измерить угол, на который необходимо наклонить образец относи­ тельно оси качания, чтобы отражение от данного зерна осталось на дебаевском круге, а также измерить угол, на который нужно повернуть образец в плоскости столика, проходящей через ось ка­ чания, чтобы отражение совпало с исходным положением.

При изучении распределения зерен по углам поворота в на­ стоящей работе был применен статистический метод. Для упро­ щения расчетов мы использовали только одну составляющую, так как специально проведенное нами исследование показало, что пре­ имущественного поворота вокруг какой-либо оси не наблюдается.

Съемка рентгенограмм проводилась в медном излучении. Иссле­

довалось смещение отражений с индексами (420) и (331) вдоль дуги дебаевского круга. Смещение рентгеновских отражений вдоль дуги дебаевского круга Да связано с поворотом нормали грани (кк1) относительно оси, лежащей в плоскости отражения перпендикуляр­ но оси качания, следующей приближенной формулой:

для данной грани; Да — смещение рефлекса вдоль дуги дебаевско­ го круга (выраженное в градусах относительно центра пленки).

Данные измерений поворотов 50—100 зерен каждого образца записывались в вариационный ряд и по методу сумм определялись статистические моменты, характеризующие распределение.

Вместе с рентгеновским исследованием поворотов зерен на одних и тех же образцах мы изучали распределение пластической деформа­ ции по образцу металлографическим методом. Для этого до испыта­ ния на плоскую поверхность образца на базе 10 мм при помощи прибора ПМТ-3 наносилась серия штрихов, перпендикулярных оси растяжения и отстоящих друг от друга на 500 мк. Параллельно оси растяжения наносилась одна осевая линия.

Нагрузка на пирамиду составляла примерно 300—500 мГу что позволяло наносить довольно тонкие штрихи (2—3 мк). Измерение удлинений вдоль осевой линии проводилось на горизонтальном длиномере ИЗА-2 с точностью отсчета ± 0,5 мк. Каждое положение штриха измерялось по 6 раз и определялось среднее. Для повышения

относительная деформация участков и строились диаграммы распре­ деления деформаций по длине образца.

Обсуждение результатов. Статистические данные измерений по­ воротов зерен приведены в табл. 1, 2.

В табл. 1 даются сведения о составе исследуемых образцов, о тем­ пературе и нагрузке при испытании, о начальной деформации, о количестве исследуемых зерен, а также приводятся вычисленные по методу сумм статистические моменты первого и второго порядка размах варьирования Rw(верхний предел значений углов поворота),

процентах к числу исследованных) повернулась в пределах соответ­ ствующего интервала углов. Интервал измерений выбран равным

0,2 град. Видно, что для всех образцов только 10—20% зерен не участвует или почти не участвует в поворотах и что существует значительный разброс значений углов поворота от 0 до 3,8 град, зависящий от температуры, нагрузки и состава.

Рассмотрим данные, полученные для образцов чистого никеля, испытанного при температуре 350° С. При нагрузке 3,3 кГ/мм2 раз­ брос значений углов поворота лежит в пределах от 0 до 1,9 град. Увеличение нагрузки до 5 кГ/мм2 повышает верхний предел до 2,6 град, а увеличение нагрузки до 7,5 кГ/мм2 повышает его до 3,8 град. Параллельно необходимо отметить и то, что с увеличением нагрузки увеличивалась и величина относительной деформации.

Для образца никеля № 36, легированного молибденом, темпера­ тура и нагрузка при испытании была такая же, как и для образца чистого никеля № 33, однако разброс значений углов поворота зерен оказывается более чем в три раза меньше, чем у никеля. Верхний предел для никеля составляет 3,8 град, а для никель-молиб­ дена 1,1 град. Относительная деформация у никеля была также в несколько раз больше, чем у никель-молибдена. Таким образом, легирование никеля молибденом приводит к уменьшению относитель­ ной деформации при нагружении образцов и к уменьшению разбро­ са значений для углов поворота зерен.

Аналогичный вывод можно сделать, рассматривая данные для образцов чистого никеля (№ 92) и никеля, легированного молиб­ деном (№ 37), бором (№ 44) и алюминием (№ 75), деформированных при температуре 550° С и нагрузке 5 кГ/мм2 (см. табл. 1). Во всех случаях в легированных образцах начальная деформация и разброс углов поворота были меньше, чем в чистом никеле.

Сравнение данных для образцов № 36, 23 показывает, что повыше­ ние нагрузки и в легированном никеле приводит к увеличению верхнего предела значений углов поворота зерен.

Из данных в табл. 2 мы сделали попытку найти реальную функ­ цию распределения углов поворота между зернами, т. е. найти число зерен в образце, повернувшихся на углы, лежащие в данном интер­ вале значений. По этим данным были подсчитаны статистические моменты: средняя арифметическая, дисперсия, асимметрия и эксцесс, и проверена гипотеза о соответствии распределения углов поворота зерен нормальному закону. Оказалось, что найденные распределения с уровнем значимости больше 5%, а в некоторых случаях и больше 10% не противоречат нормальному закону. Исследование распреде­ ления углов поворотов зерен крупнозернистого алюминия методами металлографии также привело к выводу о соответствии такого рас­ пределения нормальному закону [6].

На рис. 1 показаны построенные по статистическим моментам кривые распределения зерен по величине поворота. Точки на графике соответ­ ствуют частости для данного интер­ вала значений. Как видно, форма кривых для никеля с изменением нагрузки не изменилась, хотя ста­ тистические моменты распределения изменились (статистические моменты 3-го и 4-го порядков, характери­ зующие форму кривой распределе­ ния, в табл. 1 не приведены, однако они использовались при построении кривых рис. 1). Не изменяется форма кривых при изменении температуры и нагрузки и в легированном никеле. Меняется лишь положение центра рассеяния и дисперсия распреде­ ления.

Из приведенных данных следует, что средний угол разворота у зерен никеля увеличивается с увеличением нагрузки при температуре 350° С. Так как увеличение нагрузки всегда приводит к увеличению сдвиговой деформации, а не к увеличению вяз­ кости границ зерен поликристаллического металла, то отсюда следует, что разворот зерен происходит глав-

Рис. 1. Статистические кривые распределе­ ния зерен по углам поворота при нагруже­ нии образцов чистого и легированного никеля при различных температурах и на­ грузках:

а — Ni, 350° С. 3.3 кГ./мм2] б — Ni, 350° С. 5 кГ/мм2] в — Ni. 350° С, 7.5 кГ/лш2; г —Ni + + 1 ат% Мо, 550° С. 5 кГ/мм2] д —Ni -f 1 ат%Мо,

-f 0,06 ат.% В, 550° С (1,5% за 5'); и—NH- 0,06 ат.% В, 550° С, ЪкГ/мм-\ к — Ni -f 6 ат.%А1, 550° С, 5 кГ/мм2.

ным образом за счет сдвиговой деформации. При этом поворот зерен происходит вследствие сдвиговой деформации, протекающей как в самом зерне, так и в соседних зернах.

Хорошо известно, как поворачивается монокристалл при рас­ тяжении. Степень вращения с развитием деформации возрастает, она может быть подсчитана при помощи формулы [7]

где р0 и Pi — соответственно начальный и конечный углы между плоскостью скольжения и осью растяжения; /0 и /х — соответствен­ но начальная и конечная длина образца. Измерив угол поворота кристалла Лр, можно определить его деформацию е по приближен­ ной формуле, которая элементарно получается из (1):

При растяжении поликристаллического металла каждое зерно поворачивается так, чтобы принять ориентировку, характерную для текстуры деформации, если случайно оно в начале деформации ее не имело. Этот поворот не будет плавным из-за влияния соседей и сохранения сплошности металла при деформации.

Поворот зерен в поликристаллическом металле невозможно объяснить, исходя только из предположения, что каждое зерно поворачивается таким же образом, как и монокристалл. Дело в том,

развивающие теории текстур деформации, указывают разное коли чество систем скольжения. Боас и Шмидт предположили, что актив­ ны три системы скольжения. Пикус и Матьюсон считают, что их действует три или более. Тэйлор обосновывает необходимость нали­ чия не менее пяти действующих систем скольжения.

Однако вначале при небольших деформациях, когда деформа­ ция в зернах развивается преимущественно по одной (или двум) системам скольжения, деформацию отдельных зерен, вероятно, можно подсчитывать по приведенной выше формуле. Если это так, то функция распределения углов поворота между зернами сразу же дает функцию распределения пластической деформации между зернами, т. е. указывает число зерен в образце, испытавших деформа­ цию, находящуюся в данном интервале значений. Эта функция будет иметь тот же вид, что и функция распределения углов поворота между зернами. Аналогичный вывод сделан и в работе [6].

Если исходить из предположения, что в первом приближении поворот зерен пропорционален их деформации, то можно изучать локальность пластической деформации по распределению зерен по углам поворота.

На рис. 2 приведены диаграммы распределения деформаций по образцу после нагружения 5 кГ1мм2 при различных температурах.

ности по участкам. Распределение прироста микротвердости по участкам казалось бы не соответствует деформации этих участков, однако, если учесть и неравномерность деформации внутри участ­ ков, можно понять, почему большей деформации участка не всегда соответствует большее изменение микротвердости.