1.8. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Влияние скорости деформации, С повышением скорости деформа­ ции сопротивление пластическому деформированию растет на всех этапах, при этом предел текучести растет быстрее, чем временное сопротивление. Можно различать две ориентировочные области скорости деформации, в которых действуют разные законы: ё.< 104 с-1 и ё > 104 с-1. В первой области модуль упругости от скорости не зависит.

В интервале 10-4—104 с-1 зависимость а = f (v) может быть аппроксимирована законом:

формации может считаться константой материала.

При графическом изображении (1.82) k — угловой коэффициент: k = До/In (v/v0).

Для ряда металлов в области повышенны* температур лучшую

При графическом изображении (1.83) после логарифмирования

— также угловой коэффициент: = In (<Tp/cr0)/ln (v/v0).

Из структуры формул (1.82) и (1.83) вытекает, что k и kx можно рассматривать как динамические коэффициенты, отражающие чув­ ствительность деформирующего напряжения к высоким скоростям

упрочнения в первом случае в виде Аа, во втором — в виде In (ао/а0).

Скорости деформации выше 103 с-1 были получены и изучены при внедрении конусного бойка в плоскую плиту изучаемого металла

Методом внедрения изучалась зависимость динамической твердо­

тивление пластической деформации металлов падает. Характер этого падения зависит от типа кристаллической решетки, температуры плавления металлов и структурных превращений, инициируемых температурой.

Из рис. 1.27 видно, что в области температур Т = 734-473 К металлы с решеткой ОЦК (a-Fe, Mo, W, Та) изменяют свой предел текучести значительно резче, чем металлы с решеткой ГЦК (Си, Ni). На этом же рисунке можно заметить и влияние темпера­ туры плавления. Падение предела текучести в металлах с решеткой 9Ц К с повышением температуры тем медленнее, чем выше темпера-

тура плавления металла Тпл (для железа 1809 К; для молибдена 2895 К; для вольфрама 3668 К). По этой причине металлы Mo, W, Nb и другие широко применяют в жаропрочных сплавах. Зависи­ мость сопротивления пластической деформации от температуры опре­ деляется температурной зависимостью термодинамического состоя­ ния сплавов (амплитуда тепловых колебаний атомов); чтобы сопо­ ставить механические характеристики в одинаковых термодинамиче­ ских состояниях, их надо сравнивать при одинаковых не абсолют­

ных, а гомологических температурах.

Гомологическая темпе­ ратура — безразмерное от­ ношение Т/Тпл, где Т — температура опыта. При одинаковых гомологиче­ ских температурах преде­ лы текучести разных ме­ таллов существенно сбли­ жаются.

Структурные превра­ щения, инициируемые* тем­ пературой, такие, напри­ мер, как старение, нару­ шают монотонное измене­

ние предела текучести во многих металлических материалах. Для температурных интервалов с монотонным изменением предела текучести известен ряд аналитических зависимостей, из которых заслуживает внимания, например, такая:

(модуль упругости и плотность с повышением температуры уменьшаются).

Хорошее совпадение с экспериментальными данными формула (1.86) дает для ниобия, железа, вольфрама, тантала, молибдена, ва­ надия, малоуглеродистой стали [139].

Сравнение формул (1.86) и (1.82) показывает, что температура значительно сильнее действует на сопротивление пластической де­ формации, чем скорость.

Термоактивированные переходы атомов и их роль при пласти­ ческой деформации металлов. Основная роль дислокаций при пла­ стической деформации заключается в последовательном («эстафет­ ном») перемещении атомов.

Когда дислокация при действии постоянного напряжения затор­ маживается перед препятствием, помощь в перемещении атомов, связанном с преодолением препятствий, могут оказать тепловые колебания атомов. Переходы атомов за счет тепловых колебаний на­ зываются термоактивированными.

На рис. 1.28 показаны энергетические условия перехода атома из положения равновесия в точке А в соседнее не занятое положение

равновесия в точке В. Точки А и В разделены барьером потенци­ альной энергии высотой Н.

Чтобы переместить атом из А в В, нужно преодолеть потенци­ альный барьер, т. е. совершить работу, равную Н. Работа, которую может совершить приложенное к атому напряжение на переме­ щении х в направлении В, недостаточна: сопротивление растет про­ порционально величине Gx/a, по крайней мере на начальном участке (iа — расстояние между атомами).

Барьер Н преодолевается, однако, во времени за счет суммарного действия напряжения и энергии тепловых колебаний атома. Таким

ная £772. Полная средняя энергия атома составляет 3£7\ где k — постоянная Больцмана (£ = 1,38* 10"9 Дж/К); Т — абсолютная тем­ пература.

Половина полной энергии атома — потенциальная, другая по­ ловина — кинетическая. Оценим среднюю кинетическую энергию атома, равную kT. Этой энергии, даже в сочетании с действием нап­ ряжения т, для преодоления потенциального барьера Н недостаточно. Расчеты показывают, что требуемая энергия превосходит kT в не­ сколько десятков раз.

Время от времени атом получает дополнительную энергию в ре­ зультате случайного совпадения однонаправленных толчков от со­ седних, хаотически колеблющихся атомов. Такой механизм полу­ чения дополнительной энергии может быть назван флуктуацией, а состояние атома в момент флуктуации — активированным. Если флуктуация достигает значения At/, удовлетворяющего уравнению (1.87), активация атома обеспечивает его переход из А в Б (рис. 1.28); в этом случае величина AU называется энергией активации.

Если величины, входящие в (1.87), рассматривать как усреднен­ ные по множеству атомов в кристаллической решетке, величину Н можно принимать за параметр протекающих макроскопических процессов. В частности, при постоянном внешнем напряжении ско­

средней кинетической энергии атома kT. Чем меньше отношение AU/(kT), тем чаще возникает флуктуация At/ и тем больше скорость дислокаций, а следовательно, и макроскопической деформации ё.

Установлено, что In ё = С — AU/(kT), где С — константа. При­ равнивая С = In ё0, после интерполирования получаем

где ё0 — частотный множитель.

Если энергия активации At/ слишком низка, например ДU < kT, она не влияет на скорость процесса, т. е. его не лимитирует. Если энергия активации слишком высока, например At/ > 50kT> скррость процесса становится ничтожно малой.

На рис. 1.28 видно, что термофлуктуационное перемещение

где е = / (т, Т) — скорость деформации, определяемая опытным путем.

Рассмотренная модель (рис. 1.28), с помощью которой получено уравнение (1.89), отличается от натуры тем, что модель изолирована от энергетического влияния окружающего пространства, которое определяется энергетическим состоянием близлежащих атомов, вклю­ чающим и тепловое их движение, а также энергетическим состоянием дефектов структуры кристаллической решетки. Для эксперимен­ тального определения эффективной энергии активации изучаемого процесса достаточно уравнения (1.89), так как все усложнения про­ цесса, наблюдаемые в натуре, учитываются автоматически через экспериментально определяемые величины, например г - f (т, Т).

При теоретическом анализе термофлуктуационных переходов следует исходить из поведения большой группы атомов, для описа­ ния которой может быть применено, например, представление о мно­ гомерном пространстве конфигурации. На базе этого представления может вычисляться вероятность термофлуктуационных переходов, в том числе А -* В, с помощью закономерностей теплового равнове­ сия или диффузионных процессов [931.

При движении дислокации преодолеваются барьеры с разной энергией активации. Предполагается, что в ансамбле элементарных процессов, встречающих разное сопротивление, есть процесс лими­ тирующий, а следовательно, определяющий фактическую скорость макроскопического явления, например ползучести. Энергию акти­ вации этого лимитирующего процесса мы определяем с помощью формулы (1.89).

Расшифровка лимитирующего, или, что то же самое, ведущего процесса — часто цель исследования, так как она помогает понять причины и механизм самого макроскопического явления. Но не всегда можно говорить об одном ведущем механизме изучаемого

движении атомов и молекул. В широком смысле кинетическими сле­ дует называть макроскопические явления и процессы, возникающие как результат суммирования или накопления элементарных актов движения.

Термофлуктуационные механизмы объясняют ряд уже рассмот­ ренных явлений и отвечают на следующие вопросы.

1. Почему сопротивление пластической деформации с повышением температуры падает?

С увеличением Т величина т уменьшается за счет уменьшения тб. Одновременно снижается тд за счет уменьшения модуля сдвига G из-за термического расширения кристаллической решетки вследствие увеличения расстояния между атомами и, следовательно, соответст­ венного уменьшения сил межатомных связей.

2. Почему деформирующее напряжение зависит от скорости де­ формации в интервале, например, от 10_б до 10~4 с-1?

Теория вероятности дает средства для оценки среднего времени между флуктуациями тепловой энергии. С увеличением скорости деформации число эффективных флуктуаций будет уменьшаться на единицу абсолютного удлинения, т. е. будет уменьшаться помощь тепловых колебаний атомов как движущей силы дислокаций, а это автоматически увеличивает необходимую для движения дислокаций силу, т. е деформирующее напряжение.

3. Почему возможна ползучесть металлов при постоянном на­ пряжении до полного исчерпания предельной пластичности и раз­ рушения?

Часть ответа уже получена: движение дислокаций — это термо­ активированный процесс. Другая часть ответа заключается в том, что одновременно с деформационным упрочнением идет процесс разупрочнения за счет механизмов возврата.

Одним из механизмов деформационного упрочнения является образование у препятствий скоплений дислокаций. Механизмом возврата является рассасывание скоплений, являющихся неустой­ чивой конфигурацией, за счет диффузионного переползания крае­ вых дислокаций и поперечного скольжения винтовых.

К возврату приводят аннигиляция дислокаций, вызывающая уменьшение их плотности и кривизны, ликвидация избыточного век­ тора Бюргерса за счет распада дислокаций повышенной мощности и аннигиляции полученных в результате распада единичных дисло­ каций.

К сильному возврату приводит процесс рекристаллизации, пред­ ставляющий собой процесс образования центров кристаллизации новых, неискаженных зерен и их роста. Процесс рекристаллизации становится возможным при температурах Т = 0,5ГПЛ. При росте новых зерен энергия системы растет за счет увеличения границ новых зерен и уменьшается за счет замены старых объемов с большой плотностью дислокаций на объемы новых зерен с малой плотностью дислокаций. Движущей силой роста новых зерен является отрица­ тельный энергетический баланс роста за счет того, что второй фак-