книги / Структура и прочность конструкционных материалов

На рис. 2.33 представлена серия электронных микро­ фотографий, снятых с приграничных участков зерен образца технического железа, испытанного на установке ИМАШ-10 при температуре 800°С в вакууме (N = 4,5.103 циклов).

На границах зерен и в приграничных участках протекают сложные деформационные процессы. Следует обратить вни­ мание на изгиб полос тонкого скольжения в приграничных зонах, а также на образование волнистого микрорельефа

ввиде выступов и впадин, например, показанных стрелка­ ми на рис. 2.33,а.

На микрофотографии (рис. 2.33,6) видны три различ­ ные типа микрорельефов, возникших вследствие деформа­ ционных процессов, протекающих в участках возле границ трех сопрягающихся зерен А, Б и В. Такой характер обра­ зования микрорельефов обусловлен, по-видимому, различной ориентацией зерен по отношению к направлению действу­ ющей внешней нагрузки. Если в зерне А полосы скольжения имеют вид, аналогичный показанному на рис. 2.33,а, то

взерне Б наблюдается неоднородное скольжение (аналогич­ ное приведенному на рис. 2.32,г). В зерне В видны кон­ туры полос скольжения, на границах которых выявились в процессе испытания на усталость при нагреве имевшиеся

ивновь образовавшиеся в этих зонах дефекты кристалли­ ческой решетки.

Врезультате протекания сложных деформационных про­ цессов в зернах А, Б и В их граница сильно деформирова­ лась и в некоторых участках (показанных стрелками на рис. 2.33,6) происходит смещение отдельных зон зерен.

Выше мы отмечали при рассмотрении рис. 2.25, что под влиянием воздействия напряжений, прикладываемых к образцам при проведении испытаний на усталость в усло­ виях высокотемпературного нагрева в вакууме, развивает­ ся усиленная миграция границ зерен.

На микрофотографии (рис. 2.33,в) представлен сня­

тый на электронном микроскопе участок поверхности об­ разца железа, прошедшего испытание на усталость в ука­ занном выше режиме. Стрелками с белыми кружками и квад­ ратами на рис. 2.33,в отмечены следы исходных границ’ зерен, а стрелками с черными кружками и квадратами по­ казаны новые положения границ после их миграции в ре­ зультате протекания собирательной рекристаллизации. В зоне расположения старых границ имеются своеобразные "канавки", возникшие в результате избирательного испа­ рения материала с этих участков.

В ряде участков возле границ зерен возникают отдель­ ные ямки прямоугольной формы, являющиеся, по-видимому, зонами выхода дислокаций-на поверхность материала.

Как указывалось ранее, на поверхности зерен техни­ ческого железа в процессе испытания на усталость обра-

было установленоr что, наряду с интенсивной деформацией на границах, в теле зерен развивается тонкое скольже­ ние, неразличимое в световом микроскопе даже при боль­ ших увеличениях. Особенно сильно оно протекает в первый период испытания, когда миграция границ почти не наблю­ дается. С началом передвижения границ, сопровождающихся сильной деформацией материала в зоне мигрирующей грани­ цы, следы тонкого скольжения искажаются. Такой тип мик­ рорельефа представлен на рис. 2.34,а, где буквой А обо­ значена зона передвижения границы, в которой наблюдаются своеобразные выступы (отмечены стрелкой) и впадины (обозначены стрелкой с крестиком). Образование выступов

ивпадин привело к искажению тонкого скольжения.

Вряде случаев в приграничных участках зерен наблю­ дается образование выступов, имеющих определенную на­ правленность, не совпадающую с направлением полос сколь­ жения в зерне. На рис. 2.34,6 показаны своеобразные "валики" (отмечено стрелками), идущие под некоторым углом к границе зерен. "Валики" пересекаются полосами тонкого скольжения под углом, близким к 90°.

Как видно на рис. 2.34,в, на месте мигрирующей гра­ ницы остаются следы в виде продолговатых пор.

Микрофотографии, показанные на рис. 2.34,а-в, полу­ чены с образца технического железа, подвергнутого 4,5.10s циклам переменной нагрузки при 800°С.

При длительных испытаниях, когда диффузионные про­ цессы успевают достаточно развиться, на границах зерен возникают поры вследствие диффузии и скопления в них вакансий. На рис. 2.34,г представлена микрофотография,

полученная с образца железа, прошедшего 4.10® циклов нагрузки при 800°С и о = ±90 МПа.

Стрелками отмечены поры, образовавшиеся при нагреве

инагружении при знакопеременном цикле. При этом в теле зерен наблюдается лишь тонкое скольжение, более интен­ сивно протекающее в приграничных участках.

На рис. 2.35,а показана микрофотография с выявлен­ ными в отдельных зернах образованиями точечного типа, возникающими вследствие локального испарения в вакууме в зонах выхода на поверхность дефектов кристаллической решетки, в частности, дислокаций, образующихся в про­ цессе циклического нагружения. Эти точечные дефекты, как видно из рис. 2.35,а, располагаются по линиям, как бы очерчивающим контуры отдельных плоскостей скольжения (например, отмеченных стрелками). В результате миграции границы при нагреве и нагружении упорядоченность ямок нарушается (рис. 2.35,а).

При испытании в условиях повышенных температур в структуре металлических материалов наблюдаются процес-

седними зернами. В случае благоприятной ориентации зе­ рен полосы скольжения могут переходить из одного зерна в другое.

Из рис. 2.35,в видно, что отдельные полосы тонкого скольжения переходят из зерна А в зерно Б. При этом в местах пересечения полос скольжения образуются, вслед­ ствие пересечения дислокаций, возникающих и перемеща­ ющихся под действием циклической знакопеременной нагруз­ ки в плоскостях скольжения, вакансии. Скопление послед­ них приводит к образованию пор в зонах пересечения по­ лос скольжения в зерне Б (например, отмеченных стрел­ ками) . Причем по отдельным полосам скольжения (например, показанной стрелкой с черным кружком) могут наблюдаться перемещения отдельных микрообъемов, что приводит к ис­ кривлению полос скольжения зерна Б.

Как известно, высокотемпературный нагрев образцов железа в вакууме сопровождается активным протеканием диффузионных процессов, связанных с перемещением вакан­ сий к границам зерен. Возникающие при этом поры на границе сохраняются и после перемещения последней вследствие собирательной рекристаллизации.

На рис. 2.35,г показана микрофотография, снятая с образца железа после его нагружения 4,5.10э циклами

переменной нагрузки при 800°С. После перемещения гра­ ницы из положения "Н" в положение "К" исходное ее по­ ложение обозначено рядом точек, отмеченных стрелками.

Следует заметить, что полигональные процессы, о ко­ торых сообщалось выше, протекали также и в процессе усталостного разрушения в интервале температур транскристаллитного разрушения. На рис. 2.35 представлены микрофотографии, полученные с поверхности образца желе­ за, испытанного при 800°С. Возникшие в результате электролитического травления (в реактиве Шестака) ямки образуют полигональные границы отдельных субзерен (на­ пример, отмеченные стрелками на рис. 2.35).

Как показали наши исследования, на поверхности об­ разцов технического железа в процессе циклического на­ гружения при высоких температурах развиваются экстру- эионно-интрузионные деформационные процессы. На рис. 2.36 даны электронные микрофотографии, полученные с'поверх­ ности образцов, прошедших испытания на установке ИМАШ-10 при 800°С. Можно видеть, что образовавшиеся под действием переменной нагрузки полосы тонкого скольжения (рис. 2.36,а) после 8,45.103 циклов искривляются вслед­ ствие образования впадины '(отмеченной стрелкой) , Наряду с этим можно видеть волнообразные выступы объемов ма­ териала (отмечены стрелками с черпод кружками) . На лмкрофотографиях (рис. 2.36,6-г) показаш образовавшиеся вы­

сложные структурные изменения, связанные с дроблением и разворотом зерен, а также с искажением кристаллической решетки.

Серия рентгенограмм, снятых с образцов железа, под­ вергнутого нагружению на переменный изгиб при 600°С, показала, что после 1,71.10® циклов нагружения количе­ ство рефлексов на рентгенограмме вследствие дробления зерен увеличилось. Однако при этом уменьшалась их чет­ кость из-за искажения кристаллической решетки. Дальней­ шее нагружение до 5,42.10® циклов сопровождается боль­ шим дроблением зерен и искажением решетки. Кроме того* в структуре наблюдается разворот отдельных блоков и связанное с этим появление новых рефлексов на рентгено­ грамме и исчезновение некоторых, ранее существовавших.

Увеличение количества циклов нагружения до 1,93.10е сопровождалось восстановлением упорядочения структуры испытываемого образца: размытые пятна от отдельных бло­ ков приобрели четкие очертания в виде отдельных хорошо различимых точек. Однако повышение количества циклов нагружения до 3,95.10® циклов вызвало сильное искажение и разориентировку структуры. Такое резкое изменение картины рентгеновской дифракции связано, по-видимому, с сильными деформационными процессами, сопровождающими­

ся образованием микротрещин в структуре материала, при­ ведших к окончательному разрушению образца.

Параллельно с рентгеноструктурным анализом данного образца производилось также измерение его микротвердо­ сти. С увеличением количества циклов нагружения микро­ твердость образца непрерывно падала. Причем микротвер­

10-15%. Это связано, по-видимому, с тем, что при повы­ шенных температурах границы и приграничные участки зе­ рен слабее вследствие их большого несовершенства по сравнению с телом зерен. Кроме того, при повышенных температурах интенсивно протекающие диффузионные процес­ сы, наряду с деформационными, способствуют разрыхлению материала в зоне границ, благодаря образованию в них пор. Последние образуются за счет диффузии и скопления вакансий в приграничных участках.

Рентгенографическое изучение структуры образцов, испытанных при температуре 1000°С, когда в железе на­ блюдается аллотропическое превращение, показало, что проведение усталостных испытаний при указанных условиях нагружения вызывает измельчение зерна с сильным иска­ жением кристаллической решетки.

Таким образом, испытание технического железа при температурах интеркристаллитного разрушения показало, что в материале образцов протекают сложные деформацион-

ные процессы, вызывающие образование на их поверхности разнообразных микрорельефов* Характерной особенностью деформации образцов технического железа является проте­ кание в их поверхностных слоях экструзионно-интрузной­ ных процессов, развитие которых может вызвать поломку образца.

Изучение микроструктурных особенностей деформации образцов технического железа при температурах смешанного типа разрушения показали, что в структуре образцов про­ текают деформационные процессы, свойственные как транскристаллитному, так и интеркристаллитному типам разру­ шения. Превалирование элементов того или иного типа зависит от температуры испытания и уровня переменной нагрузки. Увеличение температуры испытания или уменьше­ ние внешней нагрузки приближает характер разрушения к интеркристаллитному, и наоборот, понижение температуры или возрастание нагрузки способствует протеканию про­ цессов деформации, свойственных транскристаллитному типу разрушения.

На рис. 2.37 показан характер распространения тре­ щины усталости при смешанном типе разрушения. Микрофо­ тографии сняты с образца технического железа, прошед­ шего б,09.106 циклов нагружения при 450°С в вакууме.

В приведенном случае трещина усталости может рас­ пространяться как по телу, так и по границам зерен. При этом границы зерен, находящиеся под углом, близким

к 90° к фронту распространения трещины усталости, явля­ ются препятствием для нее. Трещина, отмеченная на рис. 2.37 стрелками К, при приближении к границе при­ останавливается .

При этом в теле зерен А наблюдается сильная дефор­ мация, сопровождающаяся разрыхлением материала либо без образования (при неблагоприятной ориентации зерна к направлению внешней нагрузки), либо с образованием сле­ дов скольжения, как это показано на рис. 2.37. В пер­ вом случае (рис. 2.37,а) трещина сначала распространи—■ ется по телу зерен, а после торможения ее границей

проходит по ней. Во втором случае (рис. 2.37,6) перво­ начально развивающаяся по границе зерен трещина уста­ лости, на некоторое время заторможенная границей, про­ ходящей под прямым углом к фронту распространения тре­ щины, после преодоления последней движется по телу зер­ на. Во время преодоления трещиной границы зерен в теле зерна А развивались полосы скольжения, каждая из кото­ рых по мере удаления от границы разветвлялась на мно­ жество отдельных полос. Образование полос скольжения сопровождалось, по-видимому, упрочнением в них материа­ ла, поэтому образование и развитие в них новых трещин