книги из ГПНТБ / Немкевич, А. С. Конструирование и расчет печатающих механизмов-1

изменения работы сублимации атома в положении на ребре сту­ пеньки. Тогда скорость растворения возбужденного атома (нор­ мально к поверхности) равна скорости растворения ступеньки (тангенциальное направление), что соответствует экспериментально наблюдаемой форме ямок травления, имеющей приблизительно равноосный характер (по крайней мере, в начальный период). Это приближенное равенство частично объясняет появление огра­ ниченной точки зрения [46] об образовании ступеньки при выходе линий скольжения на поверхность как единственной причине повышенной химической активности деформированного металла. Очевидно, в этом месте согласно (112) будет высокая скорость образования зародышей, обусловливающая повышенную реакци­ онную способность металла (см. гл. IV).

Роль нормальной компоненты травления RB сводится к обес­

печению появления с достаточной частотой зародышей моноатомной глубины вдоль оси дислокации. Далее эти зародыши расши­ ряются со скоростью Ra, так как величина RBчрезвычайно быстро

убывает с увеличением расстояния от центра дислокации. По­

60

скольку направление перемещения ступеней RA параллельно

наиболее плотноупакованным кристаллографическим плоскостям, стенки ямок травления соответствуют формам определенной кристаллографической ориентации, как это обычно и наблю­ дается .

Согласно законам развития питтингов [45], «туннель» вдоль оси дислокации не может устойчиво развиваться длительное время, поскольку углубление питтинга возможно не более чем до величины, соизмеримой с его диаметром. В таком случае вклад растворенного объема «плохого» кристалла в общий баланс раство­ рения металла из всей области поля упругих напряжений дисло­

кации (порядка 100—200 А* в поперечнике) будет ничтожным (порядка нескольких атомных объемов), и поэтому следует рас­

сматривать лишь область х 2Ь (т. е. область вне ядра). Тогда

деформациойный прирост тока Дгн с, площади, ограниченной

радиусом х = 2Ъ*=» гс, с учетом дискретности структуры кристалла

будет приближенно равен величине тока с площади кодьца ра­

выражения (101).

Полную величину приращения тока с площади, ограниченной радиусом х, можно получить интегрированием с учетом формулы

медляет рост и .при х > 50-^-100 А приращение этой функции

очень незначительно, что. определяет область практически суще­

и в случае железа приближенно равно 1 мВ.

Сравнение кривых показывает, что суммарное приращение общего тока с ростом х затухает медленнее, чем спадание плот­

* В единицах Международной системы (СИ) 1 А = 10 нм.

61

ности тока (выражаемое кривой 1), что связано с увеличением

общей площади.

Важным является вывод о том, что величина Дср° (л:) не пре­ восходит 10 мВ (см. рис. 7) и везде меньше b = 13 мВ. Следо­

вательно, для области одной дислокации справедливы линейные соотношения электрохимической кинетики, использованные в ура­ внениях (113) и (114).

На этом основании среднюю величину приращения плотности локального тока в активированной одной дислокацией области поверхности можно определить, если известна средняя величина

Среднее приращение тока с единицы видимой поверхности, на которой расположено N невзаимодействующих (или слабо

дислокаций, выходящих на поверхность металла при легком сколь­ жении и, следовательно, несмотря на бурный рост числа так называемых активных центров на поверхности, увеличение плот­ ности анодного тока при этом незначительно и не превосходит

—8% (Дф° 1 мВ при х 0 =-50А , как показано выше) плотности

анодного тока недеформированного металла.

В случае образования плоских скоплений из п дислокаций

локальный ток растворения становится пропорциональным

нейные приближения электрохимической кинетики станут здесь неправомерными. В таком случае среднюю плотность тока на

62

Соответственно суммарная плотность тока в расчете на еди­ ницу видимой поверхности равна:

Применяя к выражению (119) обобщенную теорему о среднем, получим

от п. Действительно, применение теоремы о среднем к интегралу

(118) дает:

63

При небольших значениях п и пДф° (х) < b .можно в выраже­

нии (121) разложить экспоненты в ряд, тогда, ограничившись двумя членами разложения, получим:

Сопоставление выражений (123) и (114) показывает, что Дср° логарифмически зависит от размера области х0, для которой

определяется Дер0, и эта зависимость аналогична кривой Дi (х). Например, для железа, принимая х 0 = 50 А, из (123) получаем

Дер0 0,23 мВ. При наличии скоплений п — 10 из формулы (122)

находим Дф = 2,45 мВ. Для меди близкая оценка (2,5 мВ) полу­ чена [47], исходя из довольно грубого предположения о том, что энергия дислокации в расчете на материал, заключенный между радиусами 10 и 50 А от центра дислокации, составляет в среднем

474 Дж/моль.

Если начинают формироваться дислокационные скопления

изотропно распределенных и почти не взаимодействующих дисло­

тока незначительно, так как рост среднего значения разблаго-

(N = N'max) лишь на 63%, как следует из уравнения (120).

Представляет интерес проследить локализацию механохимического эффекта при увеличении степени деформации и числа

64

дислокаций в скоплениях. При достаточно большом числе_дисло­

вытекающее из выражения (120) и справедливое при достаточно значимом механохимическом эффекте.

Определяя среднее значение деформационного сдвига стан­ дартного потенциала образца в целом (т. е. нелокального по­

формации, тем больше нелокальное значение средней величины разблагораживания потенциала образца определяется электро­ химическим поведением одного дислокационного скопления.

Величину Дф°бр можно определить очень просто, если учесть, что она зависит от гидростатической части упрочнения АР — Ат, и при изотропном распределении избыточного давления АР в ме­

талле:

А ф обр/b = APV/RT.

Образование скоплений приведет к локальному росту АР

и Аф°. Однако в силу аддитивности запасенной энергии средняя

по всему объему металла величина деформационного сдвига Афобр не изменится (запасенная анергия нечувствительна к распределе­

Согласно (98) можем записать Аф°/6 = kAx/aR'T., где коэф­ фициент k < 1 характеризует влияние усреднения локального

эффекта по поверхности, т. е. переход к нелокальным величинам, тогда измеряемая плотность тока выразится:

Отсюда видно, что вследствие малого значения k измеряемый

нелокальный эффект может быть линейной функцией упрочне­ ния Ат даже при больших п, тогда как локальное ускорение рас­

творения вблизи линий скольжения является нелинейным эффек­ том упрочнения и достигает большой величины (нескольких порядков).

Полученный результат можно характеризовать как эффект нелинейной концентрации механохимической активности металла при его пластической деформации.

2. МЕХАНОХИМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ НА ЖЕЛЕЗЕ И ЕГО СПЛАВАХ

Малоуглеродистые стали

Нами исследовалась кинетика механохимического эффекта в условиях активационного контроля катодного процесса (водо­ родная деполяризация) и активного анодного растворения железа при пластическом деформировании с постоянной скоростью [2].

Проволочный образец из стали Св-08 с 0,08% С, диаметром 1 мм подвергали отжигу в вакуумной печи при 920° С. Электро­ литом служил водный раствор 7-н. H 2S 04. Благодаря кратко­ временности опыта (2—3 мин) было исключено влияние диффузии водорода в металл и деформационного старения.

Растяжение образца на разрывной машине в электрохими­ ческой ячейке выполняли с постоянной скоростью 34%/мин. При этом длина рабочей части, соприкасающейся с электролитом, оставалась неизменной и равной 10 мм. Скорость анодного раство­ рения определяли путем непрерывной регистрации силы тока между деформируемым образцом и аналогичным ему недеформируемым, играющим роль катода в такой модели коррозионной пары, работа которой активируется деформацией. Для регистра­ ции использовали самописец типа Н-373, который благодаря фотоэлектрическому усилителю постоянного тока отвечает тре­ бованиям микроамперметра с нулевым сопротивлением. В опытах с разомкнутой цепью общий электродный потенциал деформируе­ мого образца измеряли относительно 2-н. ртутно-сульфатного электрода сравнения. Регистрация выполнялась также самописцем Н-373, работавшим в режиме милливольтметра с высоким вход­ ным сопротивлением.

Во всех опытах по измерению тока потенциал бинарной элект­ родной системы оставался практически неизменным и равным по-

бс

Сопоставим данные оценочного расчета с экспериментальными для максимальной величины эффекта Дг = 255 мкА/см2 (рабо­ чая поверхность 0,314 см2) при Ат = 190 МН/м2 (19 кгс/мм2)

зуя формулы (71) и (79), находим оценку п «=* 10, что не противо­

речит результатам электронномикроскопических наблюдений. Действительно, прямое электронномикроскопическое наблюде­ ние [51] дислокационной структуры деформированных в раз­ личной степени железных фолы показало, что при е = 5% об­ разуются скопления и нагромождения дислокаций, переходящие

влено большое сходство дислокационных структур деформирован­ ных до больших степеней деформации железных фольг со струк­ турами, образующимися в г. ц. к. металлах с низкой энергией дефектов упаковки. Этим объясняется отсутствие в дислокацион­ ных структурах армко-железа копланарных скоплений дисло­ каций значительного размера: в пластичных материалах пласти­ ческая релаксация скоплений препятствует образованию пло­ ских скоплений с я ^ 5 на стадии деформационного упрочнения [52]. В условиях динамического нагружения процессы отдыха не успевают следовать за упрочнением и короткое время могут существовать скопления с п ;> 5 (например, наблюдается выход

линий скольжения в течение времени старения после прекра­ щения деформации [53]).

Учитывая, что для железа b 13 мВ (тафелевская константа Ьа — 30 мВ [54]), получаем из формулы (98) локальное значение

Дфлок (2Ь) — 73 мВ. Среднюю величину разблагораживания стан­

дартного потенциала для области активации радиусом 20b под­

считываем по формуле, аналогичной (115), и получаем равной

Дф° = 7,3 мВ, что согласуется со значением разблагораживания потенциала Д<рст = 7,4 мВ (для Дт = 190 МН/м2 (19 кгс/мм2).

Приближенное сопоставление Дср° и Дсрст здесь правомерно> так как весь металл образца активируется и анодная поляри­ зуемость становится намного меньше катодной из-за изменений соотношения площадей, на которых преимущественно разви­ вается та или иная реакция (поскольку изменения потенциалов менее 10 мВ, пригодна приближенная методика Стерна [50] с учетом Ьк > Ьа, как это часто принимается). Подтверждением

сказанного является совпадение величины Дфобр *=« 7,2 мВ, вы­ численной по формуле (127), с измеренной Дфст 7,4 мВ. __ Подстановка величины п = 10 и соответствующей ей величины

68

вируются деформацией, по крайней мере, в условиях максималь­

к экспериментальному значению (см. рис. 9).

Линейная связь между кривыми увеличения анодного тока At и

вследствие микроэлектрохимической гетерогенности. На стадии легкого скольжения и заключительной стадии III четко видна тенденция к уменьшению механохимического эффекта. Кроме

в начале поперечного скольжения в первую очередь разряжаются скопления из. тончайшего подповерхностного слоя, а так как при измерении Дф потребление тока прибором на несколько поряд­ ков ниже, чем при измерении At, то этот слой не успевает раство­ ряться раньше, чем удастся зафиксировать его вклад в измеряе­ мую величину Аф.

Для железа и малоуглеродистой стали по мере приближения к пределу текучести кривая напряжение—деформация немного

закругляется, в связи с появлением небольшой неупругой дефор­ мации совместно с микродеформацией, обусловленной образо­ ванием дислокационных нагромождений еще до наступления те­ кучести. В начале деформирования тонкий поверхностный слой упрочняется раньше всего объема металла, поскольку предел текучести этого слоя ниже [55] и взаимодействие дислокаций в тон­ ком поверхностном слое приводит к росту деформационного упроч­ нения на начальной стадии пластической деформации, сконцент­ рированному в тонком поверхностном слое (эффект Сузуки [56]). Этим объясняется увеличение At перед началом' легкого сколь­ жения, пропорциональное росту деформационного упрочнения Ат в области напряжений между пределом упругости (е = 0,2%) и началом легкого скольжения (см. рис. 9).

Таким образом, экспериментальные кривые зависимость уско­ рения анодного растворения, величины разблагораживания по­ тенциала и деформационного упрочнения от степени деформации согласуются с оценками.

Аналогичные опыты были проведены Бокрисом с сотр. [49], который получил сходные результаты на стадии деформацион­ ного упрочнения (рис. 10). Зависимость механохимического эф­ фекта от скорости деформации имела линейный характер (рис. 11), как это и следует из формулы (100). Однако приводимое авторами

69