2 М. В. Сторожев 33

I Теоретическая прочность

кристаллическое строение «усов»

tпрочность можно получить, если их попереч-

s

_i

ные размеры меньше длины звена сетки Франка, т. е. примерно мень­ше 1 мкм [4]. Нитевидные монокри­сталлы используют при создании композитных материалов.

—*- Количество дефектных мест или искажений решетки в кристалле

Рис. 1.22

В связи с вышесказанным пред­ставляет интерес приведенная А. А. Бочваром [7] диаграмма, характе­ризующая качественную зависимость прочности монокристалла от коли­чества имеющихся в ней искажений кристаллической решетки (рис. 1.22).

Из диаграммы следует, что по­вышение прочности монокристалла относительно минимального его зна­чения можно получить или путем увеличения количества иска­жений в решетке, или путем сведения этих искажений к мини­муму. Первый путь — это легирование металла такими приме­сями, которые дают наибольшее (по величине и количеству) искажение кристаллической решетки и, следовательно, создают наибольшие трудности смещению дислокаций. Второй путь — получение весьма чистых металлов, не имеющих искажений в кристаллической решетке, не только за счет устранения примесных атомов, но и за счет уменьшения количества или устранения дислокаций.

1.5. Холодная пластическая деформация поликристалла

Общее остаточное формоизменение поликристаллического тела складывается из пластической деформации составляющих его зерен (изменения их формы и размеров) и их относительного сме­щения. В соответствии с этим различают внутрикристаллитную и межкристаллитную деформации поликристалла. Деформация отдельных зерен поликристалла осуществляется скольжением или двойникованием, как и для монокристалла. Однако наличие значительного количества зерен в поликристалле приводит к не­которым особенностям процесса его пластической деформации.

Плоскости скольжения в отдельных, зернах поликристалла произвольно ориентированы в пространстве. Разная их ориенти­ровка приводит к тому, что при нагружении поликристалличе­ского тела внешними силами пластическая деформация начи­нается не одновременно во всех зернах. В первую очередь пла­стическая деформация возникает в зернах с наиболее благоприят­ной ориентировкой плоскостей скольжения, т. е. такой, при ко­торой последние совпадают с площадками действия наибольших

p q величине касательных .напряжений, вызываемых данной системой сил. Ос- тальные зерна деформи- руются упруго и могут получать лишь относи- .

тельное смещение. При •„. '.'"з^^"**}*^

линейном растяжении и . л; ф: ^ '

сжатии наиболее благо- ••* • , .. иу<**" **

приятную для начала пла- -. ^Л/Г*^

стической деформации , '' '1Щ

ориентировку имеют зер- ' »• ^s:,-..

на, у которых плоскости ■ Цт&Г*

скольжения расположены *<V .* ' .''iftp^-*'

под углом 45° к на правде- ■ [ '^тг^щт^"

нию действия внешней си­лы. Внешним проявлением групповых сдвигов в наи- Рис. 1.23 более благоприятно ори­ентированных зернах являются линии скольжения, наблюдае­мые часто на поверхности деформируемого тела и обнаруженные Людерсом и Д. К- Черновым. На рис. 1.23 видны линии сколь­жения, образовавшиеся на покрытой пленкой окислов поверх­ности заготовки в начальной стадии вытяжки.

Так как первые сдвиги в зернах происходят в направлениях, по которым в деформируемом теле действуют наибольшие каса­тельные напряжения, то линии скольжения, выявляемые на по­верхности поликристаллического тела, позволяют судить о на­правлениях максимальных сдвигающих напряжений, вызывае­мых в теле приложенными к нему силами. По мере увеличения деформирующих сил касательные напряжения, действующие в ме­нее благоприятно ориентированных плоскостях скольжения, до­стигают величины, необходимой для начала пластической де­формации, причем последняя начинает охватывать всевозрастаю­щее количество зерен поликристалла. Нормальное напряжение при линейном растяжении или сжатии, соответствующее вклю­чению в пластическую деформацию преобладающего большинства зерен металла, является пределом текучести.

Разная направленность плоскостей скольжения, а следова­тельно, и разная направленность сдвигов в соседних зернах при­водят к «надавливанию» одного зерна на другое. При этом на отдельных участках поверхности зерен повышается уровень дей­ствующих напряжений (как бы возникает концентрация напряже­ний). Участки поверхности зерен с повышенным уровнем напря­жений при деформировании поликристалла становятся дополни­тельными источниками дислокаций, если локально действующие напряжения способны вызвать смещение одной части кристаллита относительно другой.

Увеличение деформации сверх значения, соответствующего пределу текучести, приводит в поликристалле к тому, что зерна получают вытянутую форму в направлении наиболее интенсивного течения металла. Определенная ориентировка вытянутых в ре­зультате пластической деформации зерен называется полос­чатостью микроструктуры.

Соотношение между средними величинами наибольших и наи­меньших размеров зерен указывает на величину деформации зерен.

Одновременно с изменением формы зерен в процессе деформа­ции происходит поворот кристаллографических осей отдельных зерен в пространстве. По мере протекания пластической деформа­ции разница в направлениях кристаллографических осей отдель­ных зерен уменьшается, а плоскости скольжения стремятся сов­меститься с направлением наиболее интенсивного течения ме­талла. Это приводит к тому, что при значительной деформации возникает преимущественная ориентировка кристаллографических осей зерен поликристалла, называемая текстурой де­формации. Возникновение текстуры приводит к анизотропии свойств поликристалла.

Пластическая деформация металлов может сопровождаться направленной диффузией примесных атомов. Примесные атомы вызывают локальные изменения межатомных расстояний и, как было отмечено ранее, стремятся скапливаться вблизи дислокаций. Дислокации в своем движении способны увлекать за собой часть примесных атомов. Кроме того, примесные атомы, не связанные с дислокациями, также способны смещаться под действием де­формирующих сил, проходя по вакансиям, и т. п.

Таким образом, создается направленное перемещение (диф­фузия) атомов примеси в деформируемых зернах в направлении градиента напряжений. Это явление, названное диффузионной пластической деформацией, исследовали Г. В. Курдюмов [79], С. Т. Конобеевский [36], И. А. Одииг [61] и др.

Явление диффузионной пластичности, так же как и скольже­ние, может приводить к остаточным изменениям размеров и формы зерен, которые возникают в результате смещения дислокации.

Механизм диффузионной пластичности наиболее сильно про­является в периферийных слоях зерен и по границам блоков мо­заики. Этот механизм сопутствует скольжению. Его роль увели­чивается при деформации с нагревом.

Описанные выше процессы внутрикристаллитной деформации являются основными процессами, обусловливающими изменение формы поликристаллического металла. Межкристаллитная де­формация в этом смысле играет значительно меньшую роль.

Межкристаллитная деформация, как сказано ранее, выра­жается в относительном смещении зерен одного относительно другого. При этом на соотношение между внутрикристаллитной и межкристаллитной деформациями поликристалла оказывает влияние различие свойств металла внутри зерен и по их границам.

На границе зерен существует переходный слой, в котором законо­мерность расположения атомов резко нарушается. Отсутствие закономерного расположения атомов в пограничных слоях зерен является следствием взаимодействия атомов смежных зерен, не­правильности их формы и взаимного «надавливания» зерен при кристаллизации из расплава. Кроме того, при затвердевании рас-сплава по границам зерен скапливаются нерастворимые примеси. Таким образом, пограничные слои зерен отличаются от внутрен­них слоев физико-химическими свойствами. Отсутствие правиль­ности строения металла в пограничных межзеренных слоях при­водит к тому, что атомы в этих слоях не находятся в положениях, соответствующих минимуму потенциальной энергии. Отсюда сле­дует, что их подвижность может быть больше, чем во внутренних слоях зерен, а их относительное перемещение (происходящее не по каким-либо определенным плоскостям) может требовать относи­тельно меньших касательных напряжений. Однако возможность относительного смещения атомов в пограничных слоях не всегда больше, чем для внутренних слоев, в которых скольжение осу­ществляется перемещением дислокации.

Смещение атомов в пограничных слоях зерен затрудняется наличием нерастворимых примесей и неправильной формой по­верхности зерен, приводящей к их зацеплениям и заклиниваниям в процессе деформации.

При межкристаллитной деформации возникают повреждения по границам зерен, ведущие при ее развитии к образованию микро- а затем и макротрещин, что в конечном итоге может при­вести к разрушению поликристалла.

Повреждения по границам зерен уменьшаются с уменьшением величины зерен, так как в этом случае облегчается вращение зерен (особенно равноосных).

Значительная пластическая деформация может происходить в случае достаточно прочных границ зерен, когда межкристал-литные перемещения незначительны и играют второстепенную роль.

Однако межзеренные перемещения могут играть и значитель­ную роль в формоизменении тела, если возникающие поврежде­ния границ зерен «залечиваются» полностью или в значительной степени в процессе деформации. Это явление наблюдается преиму­щественно при высоких температурах и будет разъяснено далее (стр. 59).

Разная ориентировка плоскостей скольжения в зернах поли­кристалла, а следовательно, и разная величина упругой дефор­мации, соответствующей началу пластической деформации от­дельных зерен, приводят при разгрузке к возникновению остаточ­ных напряжений второго рода. Заметим, что остаточные напря­жения условно делят на три рода. Остаточные напряжения пер­вого рода образуют силы, уравновешивающиеся между отдель­ными частями твердого тела (заготовки), остаточные напряжения второго рода — между отдельными зернами поликристалла и оста­точные напряжения третьего рода — между отдельными группами атомов (например, дислокации).

Механизм возникновения остаточных напряжений второго рода приближенно можно представить таким образом: упругая состав­ляющая деформации в зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения («слабые» зерна) меньше, чем в зернах с неблагоприятной ориентировкой плоскостей скольжения («силь­ные» зерна). При разгрузке упругое изменение размеров «силь­ных» зерен должно быть больше, чем упругое изменение разме­ров «слабых» зерен. Однако деформации зерен при разгрузке вслед­ствие их взаимосвязи одинаковы. Равенство деформаций возможно, если «слабые» зерна после уменьшения действующих в них на­пряжений до нуля будут нагружены затем напряжениями обрат­ного знака. Эти напряжения не позволят напряжениям, действую­щим в «сильных» зернах, упасть до нуля. Таким образом, при разгрузке поликристаллнческого тела часть зерен сохранит некоторую долю напряжений, возникших в них при нагружении, а другая часть зерен получит напряжения обратного знака по сравнению с напряжениями, существующими при нагружении. Отмеченное ранее неодновременное включение зерен поликри­сталла в пластическую деформацию и возникновение при раз­грузке остаточных напряжений второго рода приводят к не­которым особенностям деформирования, рассматриваемым ниже.

1. Нарушение линейной зависимости деформаций от напряже­ний при нагружении выше предела пропорциональности. Действи­тельно, можно ожидать, что линейная зависимость деформаций от напряжений будет существовать лишь до тех пор, пока все зерна поликристалла деформируются упруго, и линейная зави­симость нарушается, как только хотя бы часть зерен начнет деформироваться пластически (при том же увеличении напряже­ния приращение деформации становится больше, чем при упругой деформации).

2. Упругое последействие, которое состоит в том, что образец под постоянной нагрузкой, не превышающей предел текучести, с течением времени получает дополнительную деформацию, а после снятия внешних сил имеет некоторую остаточную дефор­мацию, со временем уменьшающуюся или исчезающую. Это яв­ление можно объяснить тем, что даже сравнительно небольшие напряжения в зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения с течением времени приводят к пробегам дислокаций, вызывающим элементы пластической деформации этих «слабых» зерен, а следовательно, к большей упругой деформации смежных «сильных» зерен и к дополнительной деформации всего образца. Снятие внешних сил приводит к тому, что, восстанавливая свою форму, упругодеформированные («сильные») зерна создадут в «слабых» зернах, получивших пластическую деформацию, оста-

точные напряжения обратного знака по сравнению с напряже­ниями, действовавшими под нагрузкой. Под действием остаточных напряжений в «слабых» зернах с течением времени за счет про­бегов дислокаций возникнут пластические деформации обратного знака. Это приведет к уменьшению величины остаточных на­пряжений и упругой деформации «сильных» зерен, а следовательно, и к уменьшению остаточной деформации всего поликристалличе­ского тела.

3. Релаксация напряжений, заключающаяся в том, что с те­чением времени убывает усилие (напряжение), необходимое для поддержания постоянной деформации образца. Объясняется это явление тем, что в деформированных зернах, особенно с благо­приятной ориентировкой плоскостей скольжения, наблюдается направленное движение дислокаций, приводящее к тому, что доля упругой деформации в полной деформации зерна убывает, а следовательно, уменьшается величина напряжения, необходи­мого для поддержания постоянной деформации, которая зависит только от величины упругой деформации.

4. Упругий гистерезис — явление, характеризующееся тем, что линия нагружения на графике изменения усилия в зависи­мости от деформации не совпадает с линией разгрузки, образуя петлю гистерезиса, характеризующую работу, выделившуюся в процессе деформации в виде теплоты. Образование петли гисте­резиса можно объяснить следующим: при нагружении выше пре­дела пропорциональности в зернах с благоприятной ориентиров­кой наблюдается появление элементов пластических деформаций, благодаря чему увеличивается прирост деформации образца при том же увеличении напряжения по сравнению с линейной зави­симостью. При разгрузке уменьшение деформаций «сильных» зерен вначале снимает упругую деформацию «слабых» зерен, затем создает в них упругую деформацию обратного знака, ко­торая при достаточной величине действующих напряжений начи­нает частично переходить в пластическую. Вследствие этого в ко­нечной стадии разгрузки интенсивность убывания деформации по мере уменьшения деформирующих сил возрастает по сравнению с линейной зависимостью.

Если за счет процессов упругого последействия упругие де­формации зерен полиостью снимутся, то петля гистерезиса будет замкнутой.

Если принять, что в процессе нагружения и разгрузки про­исходит . релаксация напряжений в «сильных» зернах, то полу­чает объяснение наблюдаемое при последовательных нагружениях растягиваемого образца до напряжений, близких к пределу теку­чести, приращение пластической деформации за каждый цикл нагружения.

5. Эффект Баушингера, характеризующийся тем, что образец, предварительно деформированный за предел текучести, уменьшает сопротивление деформированию (т. е. пределы пропорциональ-

й9 ности, упругости, текучести) при последующей деформации обрат­ного знака. Объясняется это тем, что зерна с наиболее благоприят­ной ориентировкой плоскостей скольжения при деформировании образца с обратным знаком деформации получают пластические деформации при напряжениях меньших, чем при прямом дефор­мировании. Действительно, при разгрузке эти зерна за счет сня­тия упругой деформации в соседних зернах получат упругие деформации обратного знака, и, следовательно, потребуется меньшее увеличение напряжения (при деформации обратного знака), чтобы в этих зернах возникли пластические дефор­мации.

6. Наличие площадки текучести. Площадка текучести, встре­чающаяся на диаграмме растяжения, представляет собой участок этой диаграммы, на протяжении которого удлинение образца происходит при постоянном напряжении, соответствующем пре­делу текучести а_т (физическому в отличие от условного а₀₂). Если на диаграмме растяжения наблюдается резкий перегиб, так назы­ваемый зуб, то предел текучести а_т меньше напряжения, соответ­ствующего вершине зуба текучести и называемого верхним пре­делом текучести (ВПТ). В этом случае величину а_т иногда назы­вают нижним пределом текучести (НПТ). Площадка текучести наблюдается у некоторых сплавов цветных металлов, а также у отожженной низкоуглеродистой стали.

Существует несколько гипотез, объясняющих появление пло­щадки текучести. Одна из них — теория скелетной сетки — основана на том, что в определенных условиях по границам зерен и мозаичных блоков образуется достаточно прочная и хрупкая скелетная сетка. Пластической деформации оказывают сопротив­ление не только сами зерна, но и эта сетка. При напряжениях, соответствующих ВПТ, хрупкая сетка разрушается и последую­щее деформирование зерен требует меньших по величине напряже­ний. По другой гипотезе, если дислокации окружены облаками примесных атомов, которые существенно увеличивают напряже­ние, необходимое для начала движения дислокаций, то с развитием пластической деформации, когда дислокации выйдут из облаков примесных атомов, последующая деформация может требовать меньших напряжений. Существенное уменьшение сопротивления деформированию приводит к локализации пластических деформа­ций вблизи зерен с наиболее благоприятной ориентировкой пло­скостей скольжения, а возникающая при этом концентрация напряжений способствует распространению пластических дефор­маций от этих локальных участков. При этом в деформируемом теле (и на его поверхности) образуются зоны (линии) сосредоточен­ной пластической деформации (линии течения и линии скольже­ния), которые увеличиваются по мере деформирования и сли­ваются, охватывая весь объем деформируемого тела при дефор­мациях, больших, чем максимальная деформация, соответствую­щая площадке текучести. 40