книги / Микропластичность и усталость металлов

дальнодействующих напряжений, на фоне которых в некоторых участках кристалла проявляются локальные возмущения, вызванные близкодействующими источни­ ками напряжений. При температуре О К для перемеще­ ния дислокации из положения А в В нужно приложить

ления дальнодействующих полей напряжений она зна­ чительно больше.

Движущаяся в поле напряжений дислокация может преодолеть препятствия, вызванные близкодействую­ щими источниками, с помощью термических флуктуа­ ций. ^Поскольку ^вероятность возникновения флуктуа-' ций уменьшается с увеличением ее величины, то этот механизм реален только для преодоления слабых энер­ гетических барьеров. В опытах по пластической дефор­

при помощи термических флуктуаций могут преодоле­ ваться препятствия, энергия активации которых около

необходимо приложить для уравновешивания напряже­ ний от близкодействующих источников. Поэтому состав­ ляющая напряжения т* сильно зависит от температуры. Строго говоря, атермическис напряжения т* также зави­ сят от температуры, но слабо (за счет температурного изменения модуля упругости).

что в области микродеформации расстояние между пе­ регибами так велико, что различие между движением имеющихся перегибов и зарождением и движением двойного перегиба не принципально. Динамические измерения петель гистсризиса для металлов и сплавов с плотной упаковкой кристаллической решетки подтверди­ ли существенное влияние термических напряжений на микро- и макропластичность.

Наиболее полно в специальной литературе представ­ лены данные по микропластичности для сплавов на ос­ нове железа. Железо оказалось одним из немногих материалов, для которых эксперименты по микродефор­ мации подтверждены прямыми наблюдениями перерасп­ ределения дислокаций с помощью просвечивающей (электронной! 1Ми(крос!копии ([73]. (Анализируя данные Коссовского и Брауна [71] по деформационным кривым упрочнения железа, очищенного зонной плавкой, и его сплавов с титаном и кремнием, в работе [119] высказа­ но мнение, что предел неупругости для железа при тем­ пературе 77 К представляет напряжение, при котором дислокационные петли необратимо расширяются -в ре­ зультате движения на значительные расстояния очень больших отрезков краевых дислокаций (рис. 23).

Анизотропный изгиб пеяли происходит вследствие, различной подвижности краевой и винтовой компонент дислокаций в о.ц.к. кристаллах при низких темпера­ турах. Краевые компоненты дислокаций могут легко перемещаться на довольно большие расстояния, остав­ ляя позади себя следы из относительно неподвижных

[W]

винтовых дислокаций. Приток краевых дислокаций бы­ стро исчерпывается, что приводит к значительному уменьшению пластической деформации при вторичном нагружении); этот эффект назван «упрочнение исчерпа­ нием» и сопровождается в итоге возрастанием отно­ сительной доли винтовых дислокаций (рис. 24). Дви­ жение краевых дислокаций представляет собой простой случай по сравнению с теми, при которых микропла­ стичность контролируется движением винтовых дисло­ каций или поперечным скольжением, а также преодо­ лением дислокацией барьеров различной природы в по­ ле действующих напряжений. Таким образом, постепен­ ное расширение даже одной дислокационной петли внутри кристалла создает пластическую деформацию. В реальных материалах это может сочетаться с микропластичностью за счет генерирования подвижных дис­ локаций в поле действующих напряжений.

Если в монокристалле один или несколько источни­ ков дислокаций могут обеспечить распространение пла­ стической деформации на весь объем, то в поликристал­ ле наличие границ зерен сильно задерживает распрост­ ранение пластической деформации. Поэтому микропластическая деформация лоликфисталлических материа­ лов может быть рассмотрена с позиций, учитывающих неоднородность ее протекания в различно ориентиро­ ванных и напряженных кристаллитах. В этом случае за истинный предел упругости принимают напряжение, по достижении которого в одном из зерен начинается пластическая деформация [75]. Новые подвижные дис­ локации в благоприятно vopnenTHpOBaH-Hbix зернах по­ являются при весьма низких внешних напряжениях, источником которых часто являются границы зерен, внешние поверхности образцов, межфазные границы,

границы двойников и т. п<

По мере роста внешнего напряжения в пластическую деформацию вовлекаются все новые зерна, увеличива­ ются путь пробега и плотность подвижных дислокаций (или дислокационных ансамблей) в зернах, которые начали деформироваться пластически при более низких напряжениях. В этих зернах у границы образуются скопления дислокаций, которые создают в соседних зернах концентрацию напряжений и тем самым способ­ ствуют вовлечению их в пластическую деформацию. Эти процессы соответствуют первой стадии микропла-

Лающая собой средние функций распределения Р (К), в первом приближении Кср константа материала; т , В и Л0 — константы, зависящие от дисперсии кривой распре-

деления напряжений пи зернам. Интеграл

о,

величина, характеризующая число пластически дефор­ мированных зерен в единице объема материала при дан­ ном среднем напряжении. Последнее зависит от предела текучести зерна, среднего распределения напряжений по зернам и от формы кривой распределения. Распределе­ ние напряжений по зернам выбрано в виде нормального закона Гаусса.

Экспериментальные исследования на металлах под­ твердили тот факт, что микродеформации на базе, рав­ ной размерам зерен или блоков, подчиняются нормаль­ ному закону распределения. Этот закон распределения микронеоднородных деформаций выполняется для тех­ нического железа в интервале температур 20—500°С и выше 800°С. При температурах 600—800°С ориентация изменяется в пользу логарифмически нормального расп­ ределения (исследования проведены методом нанесения реперных точек на поверхности образца) i[77]. В этом интервале температур нагрева для армко-железа авторы отмечают наряду с возрастанием общего уровня неодно­ родности микропластичеокой деформации существенное увеличение доли приграничной деформации, т. е. грани­ цы зерен начинают принимать на себя основные дефор­ мационные -воздействия. При более высоких температу­ рах (выше 800°С) в непрерывной перестройке картины микронеоднородного течения начинают играть роль про­ цессы миграции границ зерен и рекристаллизации. В этих условиях плотность дислокаций сильно зависит от размера зерна и величины пластической деформации микрообъема.

Зависимость относительного числа пластически де­ формированных зерен пр от приложенного напряжения определена в работах }f75, 78] с учетом того факта, что в отдельных зернах имеются концентраторы напряжений, способные при наложении внешних нагрузок обеспечить работу источников дислокаций. Результаты расчетов функции плотности распределения зерен по их пределам текучести для меди выявили два интервала интенсивного вовлечения зерен в пластическую деформацию. При бо­

лее высоких уровнях напряжений скорость увеличения пр зависит от размера зерен; при одном и том же напря­ жении пр тем больше, чем крупнее зерно. Неоднозначно влияние вида напряженного состояния на характер расп­ ределения микродеформадий в металлах. В настоящее время экспериментально установлено, что деформации являются неоднородными не только при переходе от зер­ на к зерну, но и внутри отдельных зерен поликристаллов •при статическом нагружении, ползучести и усталости.

2. МЕХАНИЗМ ПРОЯВЛЕНИЯ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ

М'икропластичность, вызванная движением дислока­ ций в поле действующих напряжений, проявляется уже при весьма малых значениях амплитуд напряжений. Оп­ ределение активационных параметров процессов, конт­ ролирующих поведение дислокаций, прямыми методами весьма сложно. Наиболее удобным для таких экспери­ ментальных исследований является метод внутреннего трения, отражающий механизмы и динамику проявления локальной неупругости в металлах при различных тем­ пературах и уровнях напряжений.

Релаксация Бордони [79]. При низких температурах на кривой зависимости внутреннего трения от темпера­ туры в металлах с г. ц. к. решеткой после незначительно­ го наклепа проявляется максимум (рис. 26). Обнаружен­ ная частотная зависимость температуры максимума позволила предположить, что релаксационный процесс вызван движением дислокаций (энергия активации пика составляет порядка 9,6 кДж/моль). Совместное иссле­ дование микродеформации и внутреннего трения в тем­ пературном диапазоне релаксации Бордони на алюми­

нии (99,999%) показало [80], что термически активируе­ мая микродеформация и релаксация Бордони происходят благодаря действию одного общего механизма и контро­ лируются в первую очередь наличием напряжений 11ай- ерлса-Набарро.

Учитывая, что величина энергии активации соответ­ ствует процессу термически активируемого зарождения перегибов на дислокации, Зегер связал релаксацию Бор-

периодической функцией ее положения в решетке. Пусть

iipn/юженное напряжение стремится переместить дисло­ кационный отрезок АВ, лежащий в положении минимума энергии, в направлении, перпендикулярном его длине. При конечных температурах дислокационная линия пе­ ресекает несколько потенциальных ям, т. е. содержит не­ которое число перегибов, с помощью которых осуществ­ ляется переход дислокационной линии из одной потен­ циальной ямы в соседнюю путем бокового движения уже

Q~1-W3

Рис. 26. Релаксация Бордоин и чистой поликристаллической меди после меха­ нической обработки и модель движе­ ния дислокации Зсгера:

а — дислокация в положении АВ, соотвествующем минимуму энергии; б — дислокация. содержащая изогнутый сегмент ху в положении CD, соответст­ вующем минимуму энергии

имеющихся перегибов или путем образования дополни­ тельных пар перегибов (см. рис. 26,6). Образование но­ вой пары перегибов требует тепловой энергии, а частота таких образований зависит от температуры.

Используя выражение для скорости образования пе­

наблюдается пик Бордони, настолько мала, что зарожде­ ние парных перегибов можно ожидать только на очень длинных дислокационных сегментах [134]. Однако Парэ показал [82], что большие внутренние напряжения а в пластически деформированном кристалле, на которые накладываются малые знакопеременные напряжения, обеспечивают возможность образования перегибов на коротких сегментах. Строгий количественный расчет для этого случая .выполнен в работе [83] для модели, где пе­ регибы располагаются по параболам, проходящим через точки закрепления:

Р — ориентационный множитель; Л — плотность дисло-

кацйй; со — частота колебаний; t — время релак*

садии.

Для обсуждаемой модели движения дислокации рас­ смотрен вариант, когда расстояние между перегибами становится большим, чем критическое [84]. Тогда пере­ гибы, находящиеся на меньших расстояниях, могут ре­ комбинировать и аннигилировать за счет диффузии. Зегер и Шиллер учли, что после образования перегибов эти пары могут быстро перемещаться вдоль дислокации в поле малых напряжений.

Брейлсфорд [85] предложил теорию релаксации Бордони, хотя и основанную также на диффузии перегибов, но значительно отличающуюся от рассмотренных выше. При этом полагали, что дислокация, которая в среднем составляет угол 0 с направлением «плотной упаковки, со­ стоит из сегментов, лежащих в положениях минимума потенциальной энергии и смещенных друг относительно друга на единичный вектор решетки (резкие перегибы). В этом случае следует различать геометрические и тер­ мические перегибы. Крутые геометрические перегибы пе­

процессом. Скорость установления равновесия термиче­ ских перегибов контролируется диффузией перегибов. Внутреннее трение равно:

(17а)

где п0 — плотность перегибов; / — длина отрезка между закрепляющими точками; %=ljnD\ D — коэффициент диффузии перегиба вдоль дислокации. При учете распре­ деления длин отрезков дислокаций, по Келеру, теорети­ ческая ширина пика оказалась примерно в 1,5 раза боль­ ше ширины пика, соответствующего одному времени ре­ лаксации. Имеются и другие модификации модели для объяснения механизма образования пика Бордони.

Исследования пика Бордони представляют большой интерес, поскольку позволяют получить информацию о деталях процесса пластической деформации, особенно начальных ее стадий. Микропластичность Бордони про­ является как в монокристаллических, так и в поликристаллических образцах меди, алюминия, серебра, золота, палладия и других металлов. Увеличение степени де­ формации смещает пик в сторону более высоких темпе­