Ленок / отчет курс 3

Введение и постановка задачи.

В соответствии с представлениями физической мезомеханики материалов пластическая деформация происходит взаимосогласовано на разных масштабных уровнях. При этом один масштабный уровень может играть ведущую роль, тогда как процессы на других уровнях имеют аккомодационный характер.

Для реализации процесса пластической деформации на каком-либо масштабном уровне необходимо наличие соответствующих концентраторов напряжений и возможность локализации деформации на данном уровне.

В литературе известен ряд работ, посвященных природе возникновения мезоконцентраторов напряжений и связанных с ними мезополос локализованной деформации в нагруженном твердом теле. В настоящее время твердо установлено, в структурно-неоднародной среде мезоконцентраторы напряжений возникают на поверхностях, границах раздела, зонах стесненной деформации.

Возникновению мезоконцентраторов напряжений способствует затрудненность деформации на микромасштабном уровне. Возможность распределения мезополос локализованной деформации определяется видом материала, параметрами его структуры, состоянием поверхности, условиями нагружения. Выяснение роли каждого из перечисленных факторов в пластичности и прочности твердых тел является одной из центральных задач физической мезомеханики материалов. Эта задача является многопараметрической, что во многих случаях затрудняет однозначную интерпретацию поведения твердого тела под нагрузкой. В еще меньшей мере изучены вопросы взаимосвязи мезоконцентраторов напряжений,условий распространения генерируемых ими мезополос локализованной деформации и механическими свойствами материала.

Материал и методика исследований.

В качестве материала исследований выбрана малоуглеродистая малолегированная сталь перлитного класса 12Х1МФ теплотехнического назначения. Из исследуемой стали изготавливали образцы для микроструктуры, измерения микротвердости и испытаний на растяжение и сжатие. Размеры рабочей части образцов для испытаний на растяжение мм, на сжатие - мм. Для измерения структуры и свойств стали и, соответственно, измерения сопротивления распространению полосы локализованной деформации образцов подвергли нагреву до температур 940 и 1200 С, получасовой выдержке и охлаждении в вакууме при отключенной водоохлаждаемой печи, что обеспечивало скорость охлаждения около 80 С в минуту (в интервале температур от 1200 до 700 С). С повышением температуры нагрева получающаяся после охлаждения микроструктукра все более отличается от равновесной. В микроструктуре увеличивается доля перлитообразной составляющей, меняется ее морфология, растет микротвердость отдельных составляющих микроструктуры ( от 180 до 210 МПа для феррита ). Для образцов, нагревавшихся до 1200 С, характерно видманштетова структура. Для микроструктуры образцов, особенно нагревавшихся до высокой температуры, характерно декорирование границ зерен феррита мелкодисперсными частицами карбидной фазы. Все эти отличия в структуре способны влиять на сопротивление деформации на различных масштабных уровнях, а следовательно, и на механизмы пластической деформации и механические свойства.

Состояние поверхности измеряли ее упрочнением путем азотирования в азотсодержащей плазме тлеющего разряда при температуре 550 С. Микротвердость азотированного слоя практически не зависит от предварительной термической обработки и составляет 10.5-11.5 ГПа. Металлографически азотированный слой на исследуемых образцах почти не выявляется, но он хорошо фиксируется по результатам измерения микротвердости.

Для изучения деформационного рельефо, образующегося на поверхности в процессе деформации, одну из граней образцов полировали. Испытания на растяжение производили на установке ИМАШ-2078, на сжатие –на испытательной машине Shenk sinus-100.

Результаты исследований.

Анализ распределения деформации по деформационным рельефам, образующимся на полированной поверхности деформируемых образцов при зжатии, показывает, что в образцах, нагревающихся до 940 С и имеющих мелкозернистую структуру, процесс пластической деформации зарождается на торцах образца и развивается путем распространения мезополос локализованной деформации в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений (рис.1,а). При этом значительная часть образца между мезополосами локализованной деформации из активной деформации практически исключена. В образцах, нагревающихся до 120 С и имеющих значительно более крупнозернистую структуру, полосы локализованной деформации данного масштабного уровня не развиваются. В этом случае практически с самого начала в процесс деформации на более низком масштабном уровне вовлекается весь объем образца ( рис.1,б). Такая картина наблюдается как в неупрочненных, так и в поверхностно упрочненных образцах.

Рис.1. Деформационный рельеф на поверхности мелкозернистого ( а) и крупнозернистого ( б) образцов после испытание на сжатие; х20.

При испытаниях на растяжение характер деформации образцов с различной внутренней структурой зависит и от состояния поверхности образца. В образцах с неупрочненной поверхностью характер деформации при растяжении качественно подобен соответствующей картине при сжатии. В образцах с мелкозернистой структурой сильно выражена локализация деформации на мезоуровне. Однако в отличие от сжатия локализация деформации развивается путем распространения полосы Людерса-Чернова. В то же время, как и при сжатии, в одновременное пластическое течение вовлекается ограниченный объем образца.