Голцев Методы механических испытаний и механические 2012

где Ф – флюенс нейтронов; Q – энергия активации; R – газовая постоянная; А и В – константы; п – показатель степени, зависящий от материала; Т – абсолютная температура.

5.5. Фотопластический эффект у фотопроводников

Этот эффект заключается в том, что сопротивление фотопроводников пластическому деформированию при освещении их электрическим светом возрастает, поскольку направленный поток электронов в проводнике служит препятствием для движущихся дислокаций. На рис. 124 показано влияние освещения на сопротивление пластическому деформированию при растяжении кристалла CdS с постоянной скоростью. Пунктиром показана диаграмма в отсутствие освещения. При включении света (стрелка на рис. 124 направлена вверх) требуется увеличение напряжений для поддержания постоянной скорости деформирования, т. е. наблюдается упрочнение. Если свет выключается (стрелка на рис. 124 направлена вниз), то фотопластический эффект исчезает. Таким образом, упрочнение наблюдается только при наличии освещения.

Рис. 124

211

6. АНИЗОТРОПИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Анизотропия – слово, образованное от двух греческих слов (anisos – неравный и tropos – направление) и означающее неодинаковые свойства материала в различных направлениях. В предыдущем анализе процессов деформации и разрушения, как правило, материал рассматривался как изотропный, т.е. принималось, что его механические характеристики не зависят от направления нагружения, реализующего тот или иной вид напряженного состояния. Однако очевидно, что у реальных материалов всегда существует анизотропия механических свойств в силу структурных особенностей как в микроскопическом, так и в макроскопическом масштабах. Первое связано, например, с кристаллическим строением металлических материалов. Тела с аморфной структурой или поликристаллы с равновероятным расположением кристаллитов и структурных элементов обычно не обнаруживают анизотропию механических свойств, в то время как материалы с закономерным внутренним строением, как правило, анизотропны. Кристаллические вещества являются природноанизотропными материалами. Исследования даже кристаллов с кубической решеткой показали, что их механическое поведение обладает свойством явной анизотропии. Анизотропия металлов с некубической решеткой выражена более ярко, поэтому металлы всегда об-

ладают анизотропией.

Примером макроскопической анизотропии может служить зависимость механических свойств от направления растяжения таких материалов, как древесина, композиты, прокат и т.п. Во многих случаях в макромасштабе материал считается изотропным, что связано с хаотическим распределением анизотропных составляющих, когда статистически усредняются его свойства по различным направлениям. Тем не менее если анизотропия существенна, то ее нужно учитывать и даже можно использовать для достижения некоторого положительного эффекта.

Анизотропия может быть: а) начальной или исходной, существующей до процесса нагружения; б) вторичной или деформационной, т.е. изменившейся или заново возникшей в процессе деформации.

В соответствии с разделением процесса нагружения металлов на три основных состояния (упругое, упругопластическое и разрушение) следует различать:

212

а) анизотропию упругих свойств (модуль нормальной упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона и др.) – «упругую анизотропию»;

б) анизотропию пределов упругости, текучести и других свойств, определяемых в области малых пластических деформаций;

в) анизотропию характеристик значительной пластической деформации (предел прочности при наличии шейки, равномерная пластичность и др.);

г) анизотропию характеристик, связанных с разрушением (характеристики сопротивления разрушению при различных видах нагружения, предельная пластичность и пр.) – анизотропию разрушения.

По структурному признаку различают следующие виды анизотропии:

а) гомогенную (кристаллическую); б) гетерогенную (волокнистую, строчечную и пр.); наличие ори-

ентированных трещин, расслоений и прочего можно рассматривать как предельный случай волокнистой структуры с нулевым сопротивлением границ волокон;

в) анизотропию, вызванную ориентированными остаточными микронапряжениями, связанную, например, с особенностями дислокационной структуры.

Существует два основных источника анизотропии механических свойств металлов: анизотропия, возникающая в процессе деформации, и анизотропия, вызванная образованием текстуры.

Так называемая деформационная анизотропия возникает в процессе прокатки, вытяжки, штамповки и т.п. и обусловлена наличием остаточных напряжений. Неравномерность протекания пластической деформации в различных направлениях приводит к направленности упрочнения, появлению ориентированных остаточных макро- и микронапряжений, связанных с особенностью дислокационной структуры, проявляющейся при изменении знака и направления нагружения. Деформационная анизотропия исчезает после рекристаллизационного отжига. Примером тому могут служить результаты испытания нержавеющей стали 304, используемой в качестве оболочечного материала в реакторах США. В процессе холодной прокатки данная сталь приобретает значительную анизотропию пределов текучести как при растяжении, так и при сжатии. Однако после отжига анизотропия почти полностью исчезает, и контур текучести превращается в ок-

213

ружность с центром в начале координат. Причем пределы текучести стали уменьшаются в несколько раз (рис. 125)

Рис. 125

Вторым источником анизотропии является текстура, т.е. упорядоченное расположение в твердых телах составляющих его частей. Так, например, растягивающие напряжения, преобладающие в вершине трещины, влияют на характер развивающейся там локальной пластической деформации и соответствующей переориентации зерен, которые лежат на пути трещины.

Текстура бывает механической и кристаллографической. На практике металлические материалы используются, как правило, в поликристаллическом состоянии. Хотя все зерна в однородном металле обладают одинаковым кристаллическим строением, они отличаются взаимной ориентацией кристаллографических осей. Механическая текстура определяется наличием вытянутости формы зерен, различием расстояний между границами вдоль и поперек зерен, строчности и расположении частиц дисперсных фаз. Механическая текстура может быть устранена высокотемпературным отжигом.

В поликристаллах может одновременно присутствовать механическая и кристаллографическая текстуры. Влияние механической текстуры на анизотропию свойств поликристаллитов можно учесть через кристаллографическую текстуру, так как вытянутое зерно также представляет собой кристаллит, имеющий определенную ориентацию.

Анизотропию сплавов, имеющих кристаллографическую текстуру, рекристаллизационным отжигом устранить нельзя. Это видно на

214

контурах текучести сплава циркалой-2 после холодной деформации и рекристаллизационного отжига (рис. 126).

Рис. 126

Кристаллографическая текстура, свойственная металлам и сплавам, есть преимущественная ориентация кристаллов в поликристалле.

Текстура образуется вследствие ориентированного воздействия на тело внешних сил, например при ковке, штамповке, прокатке и других технологических процессах. В результате внешнего воздействия кристаллиты твердого тела претерпевают пластические деформации, происходит переориентация кристаллографических плоскостей.

Следует иметь в виду, что анизотропия конкретных механических свойств материала не позволяет судить об анизотропии процессов деформирования и разрушения материала и тем более не дает ей объяснение. Ответ на эти вопросы можно получить, исследуя в совокупности пластически деформированную область перед вершиной стартующей и распространяющейся трещины в материале. Однако детальный анализ текстурных изменений, происходящих в локальной области перед вершиной стартующей и движущейся трещины, выходит за рамки настоящего пособия. Ответы на поставленные вопросы можно найти в специальной литературе.

Анизотропия механических свойств присуща большинству реальных конструкционных материалов – металлических и неметаллических.

Отсутствие анизотропии какой-либо одной или нескольких характеристик материала еще не гарантирует его изотропность в отно-

215

шении всех механических свойств, так как природа анизотропии разных характеристик может быть различной.

Чтобы выявить анизотропию механических свойств материалов, при их нагружении должно воспроизводиться напряженное состояние, когда по разным направлениям действуют различные по величине напряжения, т.е. само напряженное состояние должно быть анизотропным. В связи с этим равное всестороннее растяжение и сжатие не могут быть использованы. Для решения поставленной задачи тензор напряжений должен содержать девиаторную часть. Этому отвечает осевое растяжение, для которого на рис. 127 в полярных координатах показаны эпюры нормальных и касательных напряжений в зависимости от направления, задаваемого углом α по отношению к оси растяжения.

Рис. 127

Феноменологический подход при оценке анизотропии поведения конструкционных материалов предполагает проведение испытаний образцов, вырезанных в различных направлениях с учетом условий работы конструкции. Часто оказываются достаточными испытания образцов, вырезанных из материала в двух взаимноперпендикулярных направлениях, например при определении характеристик упругости или сопротивления материала разрушению.

В то же время соотношение продольных и поперечных свойств в ряде случаев не полностью характеризует анизотропию, так как минимальные или максимальные их значения часто не совпадают ни с продольным, ни с поперечным направлениями. Более того, при пластичном состоянии материала продольные и поперечные значения пределов текучести могут быть близкими (или даже равными) ввиду того, что указанные свойства связаны в основном с касательными

216

напряжениями, которые максимальны и у продольных, и у поперечных образцов в направлениях, одинаково ориентированных по отношению к осям анизотропии (рис. 128).

Рис. 128

Заключение о наличии или отсутствии анизотропии свойств листового материала может быть сделано только по результатам испытаний образцов, вырезанных не менее чем в трех направлениях. Для получения полного представления об анизотропии массивного материала необходимо определение его свойств в различных направлениях и построение пространственных диаграмм их зависимости от ориентировки образцов.

Чаще всего анизотропия выявляется по результатам испытания на статическое растяжение образцов, вырезанных в двух взаимноперпендикулярных направлениях, например в направлении прокатки и поперек ее. Однако, как будет показано, такая оценка анизотропии в общем случае является недостаточной. Кроме того, характер анизотропии сопротивления деформированию и разрушению существенно зависит от этапов этих процессов и характера нагружения.

В качестве наглядного примера анизотропии упругих свойств проанализируем зависимость модуля упругости от направления растяжения для прокатанного листового материала в плоскости листа:

217

правлении и E45 – в направлении под углом α=45°).

На рис. 129 показано хорошее совпадение экспериментальных (точки) и расчетных (линии) значений для прокатной (α) и рекристаллизованной (δ) меди, причем экстремальные значения могут не совпадать с продольным и поперечным направлениями.

Рис. 129

Для листового материала с прямолинейной текстурой зависимость значений σ0,2 и σВ от направления растяжения часто может быть представлена в форме, аналогичной той, которая была приведена выше для модуля Е, с заменой модулей для различных направлений соответствующими характеристиками сопротивления деформированию. Это подтверждается расчетными (линии) и экспериментальными (точки) данными в зависимости характеристик прочности σ0,2 и σВ прессованных полос из высокопрочного магниевого сплава ВМ65-1 от направления, приведенными на рис. 130.

Рис. 130

218

Влияние жесткости напряженного состояния на проявление анизотропии можно проиллюстрировать результатами испытаний на растяжение и кручение продольных и поперечных образцов, вырезанных из стали 30ХГСА. При кручении анизотропия прочности практически не проявляется, в то время как при растяжении она выражена резко; анизотропия пластичности хотя и проявляется при кручении, но в гораздо меньшей степени, чем при растяжении.

Характерным влиянием жесткости напряженного состояния на анизотропию могут служить результаты испытания стали ШХ15, имеющей после закалки и низкого отпуска практически нулевую пластичность. При растяжении степень анизотропии истинного сопротивления разрыву этой стали составляет 56 %, при кручении 7 %, при испытании шайб диаметром 15 мм на вдавливание двумя встречными шарами диаметром 23 мм («мягкий» способ) – всего 2 %.

Таким образом, чем в менее пластичном состоянии находится материал, тем резче проявляется анизотропия его прочности.

Характер и величина анизотропии В и 0,2 холоднодеформированных металлов могут быть и одинаковыми, и различными. Так, у ряда сталей после холодной прокатки значения предела прочности в поперечном направлении, как и предела текучести, выше, чем в продольном. Это можно проиллюстрировать результатами испытания листовой стали 09Х16Н15М3Б в отожженном состоянии и после деформирования холодной прокаткой на 20, 30, 40 и 80 %. Сталь 09Х16Н15М3Б относится к аустенитному классу; ее исследованные образцы состоят из единственной фазы, имеющей кристаллическую решетку ГЦК. В табл. 11 приведены результаты испытания на растяжение четырехкратных образцов в соответствии с ГОСТ 11701.

В холоднодеформированном состоянии анизотропия прочности всех материалов с кубической решеткой невелика, при этом значенияВ поперечных образцов выше, чем продольных.

В холоднодеформированных изделиях анизотропия предела текучести возникает вследствие:

1) неравномерного протекания холодной пластической деформации в различных направлениях, что приводит к направленности упрочнения и сопротивления, появлению ориентированных остаточных макро- и микронапряжений, связанных с особенностями дислокационной структуры;

220