книги из ГПНТБ / Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением

Итак, можно считать, что влияние дробности деформации на пре­ дельную пластичность материала в условиях пластической деформа­ ции, несомненно, положительно, причем степень этого влияния раз­ лична для разных конкретных процессов.

Взаимодействие процессов превращения и деформации. В послед­ ние годы накоплен большой экспериментальный материал об ано­ мальных изменениях прочностных и пластических свойств металла в зависимости от состава, состояния и условий деформации. Уста­ новлено, что при обычных условиях у всех сплавов наблюдается

Число пропуска8 при прокатке

Рис. 13. Зависимость предельной пластичности стали марки 1Х18Н22В2Т2 при холодной прокатке клиновых образцов от дробности деформации, исходной пластичности металла и кон­ центратора напряжений (надреза).

/ - ф = 39,5% ; 2 — ф = 58,2% 3 — ф = 74,6% .

склонность к снижению пластичности при средних температурах. Это снижение нередко связано с аномальным ростом сопротивления деформации, что вызывает ухудшение деформируемости материалов, обрабатываемых давлением, отрицательно сказывается на расходе энергии и стойкости инструмента, создает значительные трудности в производстве. Указанные явления, известные под названием про­ валов пластичности, выражаются в местном более или менее резком ее снижении, связанном с изменением температуры, концентрации и условий формоизменения. Температурные провалы пластичности, часто называемые зонами хрупкости, известны давно, однако их изучение начато только в последние годы.

В нашей стране детальный анализ этих явлений был начат С. И. Губкиным [13] и продолжен рядом других ученых. Из наиболее полных монографий по данному вопросу, опубликованных в послед­ ние годы, следует назвать работу А. А. Преснякова и В. В. Червя­ ковой [40], в которой систематизированы имеющиеся данные и сде­ лана попытка объяснить природу возникновения провалов пластич­

50

ности у металлов и их сплавов. Не вдаваясь подробно в существо диффузионной гипотезы, отметим, что согласно ей развитие прова­ лов пластичности есть взаимодействие процессов любого вида прев­ ращений разупорядочения — упорядочения деформируемого ме­ талла (полиморфные, рекристаллизационные процессы, выделение новых фаз, старение и др.) — с процессами деформации, определяе­ мыми рядом основных факторов (скоростью, температурой, характе­ ристиками окружающей среды и т. д.).

К сожалению, наши знания в этой области совершенно недоста­ точны и позволяют лишь сделать вывод об исключительной слож­ ности причин, порождающих развитие зон хрупкости, либо их по­ давление. Ясно, что задачей ученых и технологов является более широкое изучение природы зон хрупкости с целью разработки мето­ дов направленного воздействия на свойства металлов и сплавов при деформации путем регулирования параметров процесса формоизме­ нения, состава и состояния обрабатываемого материала.

ГЛАВА

ПЛАСТИЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ

§ 1 2

КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ

Процесс деформации металлов и сплавов состоит в основном из трех стадий: 1) упругой деформации (исчезает после снятия нагрузки);

в любом случае нагружения тела обнаружить упругую область, в ко­ торой напряжение и деформация взаимосвязаны согласно закону Гука. Упругая деформация с момента начала нагружения до момента снятия внешних сил всегда сопутствует пластической деформации. Величина остаточной деформации в момент разрушения есть мера пластичности тела. Как известно, материалы с низкой пластичностью считаются хрупкими.

Следует отметить, что все металлические материалы в той или иной степени обладают свойством пластически деформироваться во всем температурном диапазоне, соответствующем их существо­ ванию в твердом состоянии (до расплавления), так как пластичность определяется целым рядом вышерассмотренных факторов.

В работе. [21] приводится классификация явлений, происходя* щих при деформации и разрушении. В случае высоких температур даже невысокое напряжение способно вызвать ползучесть (скорость ползучести приблизительно пропорциональна приложенному на­ пряжению)., Такое явление называется вязким течением. С вязким течением в большинстве случаев связано явление, называемое раз­ рывом. Разрыв представляет собой последовательное уменьшение сечения деформируемого тела практически до нуля.

Пластичные материалы обладают свойством пластически деформи­ роваться до определенного момента, после которого происходит расчленение образца до наступления явления разрыва; такое расчленение называется пластическим разруше­ нием.. Если до разрушения образца не наблюдается заметной пластиче­ ской деформации или ползучести, то происходит хрупкое разрушение. Эти два вида разрушения изображены на рис. 14. Следует отметить определен­ ную условность классификации по­

й металловедению. С точки зрения деформационной способности материала в условиях обработки давлением основное внимание будем уделять комплексному рассмотрению протекания процессов дефор­ мации и разрушения.

Значительная часть специалистов в области физического металло­ ведения считает, что разрушение происходит как путем среза (от касательных напряжений), так и путем отрыва (от нормальных на­ пряжений). Отрыв может происходить без предварительной пласти­ ческой деформации (хрупкий отрыв); срез без предварительной пла­ стической деформации для ненаклепанного металла невозможен.

Нам представляется, что такое деление разрушения на два вида условно и зависит от того, на каком уровне рассматривается процесс деформации (макроскопическом, микроскопическом, субмнкроскопическом). На рис. 15 изображена условная схема разрушения кир­ пичной кладки под действием вертикальной нагрузки. Если рассма­ тривать разрушение на макроскопическом уровне (рис. 15, а), его можно отнести к виду пластического разрушения от касательных напряжений (трещина направлена под углом примерно 45° к дей-

52

ствию нагрузки). Рассмотрение на микроскопическом уровне свиде­ тельствует о разрушении в результате отрыва отдельных кирпичей (рис. 15, б), составляющих кладку в зоне сдвига. В дальнейшем будем считать единственно возможным видом разрушения металли­ ческих материалов отрыв под действием растягивающих напря­ жений. О разрушении под действием касательных напряжений не может быть речи, так как они в случае отсутствия нормальных растягивающих напряжений являются лишь причиной деформации [33]. Необходимым условием нарушения сплошности в момент за­ рождения трещины является наличие растягивающих напряже­ ний [33].

Пластическая деформация, в отличие от сопутствующей упругой деформации, столь значительна, что уже моясно говорить о разрыве

Рис. 15. Условная схема разрушения кирпичной кладки под действием вертикальной нагрузки: а — макрокартина; б — микрокартина.

связей между атомами и образовании новых связей, не менее устой­ чивых, чем предыдущие. Если новые связи не образуются, происхо­ дит разрушение.

Чтобы определить основные деформационные свойства материала, требуется рассмотреть процесс возникновения и развития нарушений сплошности, ведущих в конечном итоге к разрушению деформируе­ мого тела (достижению предельной пластичности).

Современное состояние теории позволяет дать лишь схемати­ ческое представление о развитии и протекании указанного процесса, так как теория явлений, связанных с зарождением и распростране­ нием трещин, еще далека от завершения.

Очевидно, что разрушение тела должно начинаться с прохожде­ ния микроскопической стадии — разрыва небольшого числа атомцых связей [6]. В отдельных точках нагруженного тела возникают на­ рушения связей, вызывающие субмикронарушения (тонкоструктур­ ные нарушения, представляющие собой несколько вакантных рядом расположенных атомных узлов).

Одна часть возникающих субмикронарушений исчезает, вторая — сохраняется устойчиво в зависимости от условий в области их воз­ никновения. Устойчивые субмикронарушения либо исчезают, либо развиваются и превращаются в микронарушения (размеры микро­ нарушений больше длины световой волны). Микрбнарушения вызы­ вают концентрацию напряжений вблизи места их появления. При определенной схеме напряженного состояния и определенной

53

степени концентрации напряжений микронарушения перерастают в макронарушения, а развитие последних (рост и объединение) свя­ зано с разрушением деформируемого тела [6].

Пластичное разрушение происходит вследствие раскрытия и слияния пор, возникающих у включений или неоднородностей, роста тонких трещин, деформационного разупрочнения и образова­ ния интенсивных полос скольжения, а также объединения пор дисло­ кационного происхождения. Анализ течения разрушения с позиций основных положений теории роста пор [21] свидетельствует о том, что оно зависит от условий протекания процесса предшествующей деформации и от гидростатического давления (чем ближе условия нагружения к гидростатическому сжатию, тем ниже интенсивность накопления деформационных повреждений [26]), отношения разме­ ров тела к расстоянию между включениями, анизотропии включений и температурных условий деформации. После появления в процессе деформации дефектов типа мнкротрещнн возникновение хрупкого либо пластичного разрушения будет определяться условиями воз­ можностей распространения трещин, механизмы образования кото­ рых рассмотрены ниже [21].

1. Скопление дислокаций у сильного препятствия (число дисло­ каций у этого препятствия быстро растет, и, начиная с головных дислокаций, они могут сливаться в одну трещину). Для возникнове­ ния трещины по механизму, предложенному Стро, необходимо скоп­ ление дислокаций, которое должно приблизительно равняться отно­ шению теоретической прочности к пределу текучести: п ^ а с/ат (для металлов с объемно-центрированной решеткой величина а находится в диапазоне 300—1000). С ростом деформации количество дислокаций в металле с объемно-центрированной решеткой в 103— 104 раз больше,- чем в отожженном металле.

2.Скопление дислокаций у «сидячей» дислокации по механизму, предложенному Котреллом. Этот механизм значительной роли не играет.

3.Скопление дислокаций в виде малоугловой границы наклона. Этот вид зарождения трещины характерен для неоднородно деформи­ рованных металлов с гексагональным типом кристаллической ре­

шетки, а такжр для монокристаллов ионных соединений.

4. Образование трещин при пересечении деформационных двой­ ников. При пересечении границ двойников возможно возникновение весьма высокой концентрации напряжений, особенно у кристаллов с объемно-центрированной кубической решеткой. Зачастую это при­ водит к возникновению трещин, что было подтверждено многими исследователями. По И. А. Одингу, зародыш трещины возникает в некотором субмикроскопическом объеме скопления дислокаций, где энергия достигает предельной величины, равной скрытой теплоте плавления. Дж. Дж. Гилман отмечает, что одним из основных меха­ низмов образования трещин в твердых телах является локализован­ ное пластическое течение [19].

Теория образования микротрещин начала развиваться сравни­ тельно недавно. Примерно в 1950—1960-х годах сложились основные

54

представления о роли перенапряжений, вызванных дефектами ре­ шетки, при разрушении атомных связей и о возможности образова­ ния дислокационных микротрещин при объединении дислокаций; был предложен ряд дислокационных схем и решены простейшие задачи. В последнее время начался новый этап в развитии теории образования микротрещни [6], но уже ясно, что в кристаллах с раз­ витой дислокационной структурой микротрещины должны зарож­ даться на самых ранних стадиях пластической деформации. Разру­ шение тела при этом происходит не вследствие появления отдельных микротрещпн, а ввиду возникновения достаточно высокой их кон­ центрации, приводящей к их соединению и образованию макро­

трещин критического размера, приводящий к полному разру­ шению.

В теории разрушения принято считать, что период накопления микротрещин составляет основную часть времени «жизни» деформи­ руемого тела до разрушения. При достижении трещиной критиче-. ского размера можно наблюдать разрушение двух видов: вязкое (распространение трещины вызывает пластическую деформацию в ее вершине, работа распространения трещины значительна) и хруп­ кое (трещина распространяется, не вызывая пластической деформа­ ции, работа пренебрежимо мала). Степень предшествующей деформа­ ции не определяет характера окончательного разрушения, который обусловлен работой, необходимой для распространения трещины (вид излома).

Условия для распространения трещины 'могут быть различными. В монокристаллах при наличии растягивающих напряжений почти всегда есть условия для распространения образовавшейся трещины (по Гриффитсу), за исключением случаев встречи препятствий, спо­ собных ее притупить или остановить. В поликристаллах таким пре­ пятствием в большинстве случаев является граница зерна: здесь трещина может притупляться вследствие протекания процесса пла­ стической деформации в вершине.

При температурах теплой и холодной деформации разрушение начинается с образования острых клиновидных трещин, возника­ ющих при проскальзывании по границам зерен. При высоких тем­ пературах (горячая деформация), когда дислокации в кристаллах становятся достаточно подвижными, трещины распространяются не идеально хрупко [7 ]. Локализованное в вершине трещины течение приводит, с одной стороны, к ее затуплению, а с другой — к пере­ распределению и концентрации напряжений впереди трещины. При этом возможно разрушение (по механизму, сходному с механиз­ мом по Котреллу) впереди основной (магистральной) трещины, которая в данный момент затуплена, а в дальнейшем может начать разви­ ваться путем поглощения растущих навстречу ей малых трещин. Быстрое развитие магистральной трещины возможно только тогда, когда ее размеры в процессе деформации существенно возрастут и

55

растягивающие напряжения в затупленной вершине достигнут значения теоретической прочности.

Модели Стро, Смита и Бэрнби показывают, что уровень напря­ жений при горячей деформации достаточен для возникновения и развития клиновидных трещин. Однако горячая деформация сопро­ вождается залечиванием дефектов. Эти процессы обусловлены тем, что рекристаллизованные зерна препятствуют распространению трещин. Хотя разрушение при горячей деформации начинается на более ранних стадиях, пластичность металла, как правило, высока. Это является следствием значительно более высокого сопротивления развитию трещин и рекристаллизацнонного залечивания. Трещина, возникшая путем слияния дислокаций, может расползтись путем диффузии и превратиться, например, в дислокационную стенку наклона 16]. Так как подвижность атомов увеличивается с ростом температуры, то и залечивание микротрещины легче осуществляется при горячей деформации. Примером сказанному может служить установленный А. А. Бочваром растворно-осадительный механизм пластической деформации.

Кинетическая теория разрушения должна учитывать не только процесс зарождения трещин, но и их залечивание.

Вработе [19] приводится пример полного залечивания пор и трещин в предварительно растянутых медных образцах путем после­ дующей деформации по схеме трехмерного сжатия. При этом по­ казано, что всестороннее сжатие образцов без пластической дефор-, мации залечивания не вызывает. Залечивание микронарушений идет значительно легче, чем залечивание макронарушений..

Взависимости от того, какой из указанных процессов (рождение нарушений или их залечивание) превалирует, нарушения разви­ ваются вплоть до разрушения, или залечиваются, или стабилизи­

руются.

Следовательно, пластическое состояние определяется соотноше­ нием скоростей образования зачатков субмикронарушений и их восстановления (залечивания).

Между пластической деформацией и разрушением не существует резкого разграничения. Можно привести целый ‘ряд случаев, когда трудно сказать, что происходит с металлом: пластическая деформа­

формации и разрушения. Разрушение рассматривается как процесс постепенного частичного нарушения связей между частицами де­ формируемого тела с возможным последующим их восстановлением. Можно с полным основанием считать, что процесс разрушения всегда сопровождает процессы деформации и что даже вязкое тече­ ние есть результат взаимодействия процессов деформации и разру­ шения. Большинством исследователей установлено, что микротре­ щины в процессе деформации моно- и поликристаллов возникают задолго до начала разрушения, т. е. подготовка разрушения начи­ нается вместе с деформацией [26]. Разрушение происходит не мгно­ венно, а постепенно. Это подтверждено в работе [48 и др.].

56

/

На образование зачатков субмикронарушений и на дальнейший ход их развития влияют схема напряженного состояния в области нарушения, степень концентрации напряжений в области нарушения, характер нарушения связей и условия их восстановления.

Схема напряженного состояния в области микронарушений, определяемая в первую очередь силовой схемой нагружения тела, зависит, однако, от структуры деформируемого металла и формы нарушения. Эти факторы могут изменить схему объемно-напря­ женного состояния вблизи нарушения вследствие возникновения дополнительных растягивающих напряжений, т. е. схема напря­ женного состояния вблизи нарушения может быть совершенно отлич­ ной от силовой схемы нагружения деформируемого тела.

Мортон К. Смит [48] на основании детального анализа дефор­ мации и разрушения поликристаллических материалов приходит к выводу о том, что, по-видимому, нет оснований думать, что обычный разрыв по зерну связан с чем-нибудь кроме растяжения. Чистое сжатие не вызывает пластической деформации и образования тре­ щин I— оно приводит только к развитию упругой деформации. Оче­ видно, уменьшение сил связи, в результате которого возникает и раширяется трещина, может быть только следствием взаимного отда­ ления слоев атомов, образующих противоположные поверхности трещин, в направлениях, перпендикулярных им. Связь уменьшается вследствие растяжения вдоль указанных направлений. Все трещины зарождаются в плоскостях, по которым произошло первоначальное разделение атомных слоев, и распространяются вследствие растя­ жения в направлении, перпендикулярном действующему напря­ жению.

Сказанное можно' подтвердить экспериментальными данными. Е. М. Шевандин получил на плексигласе микротрещины при де­ формации, строго перпендикулярные направлению действия макси­ мальных растягивающих напряжений. Указанные положения спра­ ведливы и для скалывающих, и для сжимающих нагрузок, при ко­ торых растягивающие напряжения, необходимые для образования и развития трещин, являются результатом неоднородности деформа­ ции изделия.

По мнению А. А. Бочвара, в процессе пластической деформации участвует не вся кристаллическая решетка, а только области, при­ мыкающие к линиям скольжения или двойникам. Линии скольжения в зернах являются начальной стадией разрушения, ибо вблизи них возникает концентрация напряжений. Это обстоятельство подтверж­ дается опытными данными, по которым микротвердость вблизи следов скольжения превышает значения микротвердости в отдаленных зонах в два-три раза. Следовательно, характер деформационного процесса гораздо сложнее принятых в теории пластичности простых схем. Важнейшей его особенностью является неравномерность де­ формации, занимающей значительный объем или объем между отдель­ ными структурными составляющими, что порождает возникновение напряжений противоположного принятой схеме нагружения знака. По мнению А. А. Преснякова, эти напряжения могут вызвать разру­

57

шение деформируемого материала, являясь только растягивающими нормальными напряжениями.

Условия протекания процессов восстановления связей, опреде­ ляющих эффект залечивания, зависят от химической природы связей (металлическая связь восстанавливается легче); температуры (повы­ шение температуры способствует протеканию процесса); диффузион­ ных процессов (чем интенсивнее идет возврат и рекристаллизация, тем энергичнее восстанавливаются связи, развитие процессов прямо пропорционально времени); наличия вблизи нарушения связей посторонних включений, снижающих ход процесса;'напряженного состояния (эффект самозалечивания растет с ростом гидростатиче­ ского давления [5]); пластической деформации в напряженной среде (деформация, вызывающая смятие нарушений, благоприятствует схватыванию атомных слоев поверхности нарушения).

Вышеописанная схема кинетики разрушения кристаллических тел неорганического происхождения является базой для решения вопросов пластичности металлов и сплавов при обработке давле­ нием. Указанные основные положения теории развития процессов разрушения и залечивания справедливы применительно к большим степеням пластических деформаций.

Исходя из положения теории обработки металлов давлением о том, что в телах абсолютно пластичных, пластичных и даже полупластичных разрушение возможно только в результате отрыва под действием растягивающих напряжений [13], можно определить основные факторы, вызывающие процесс разрушения материала при пластической деформации: •

а) действие растягивающих напряжений, создаваемых внешними силами;

б) действие растягивающих напряжений, возникающих в резуль­ тате неоднородности деформации;

в) вялое залечивание нарушений или полное его отсутствие; г) концентрация напряжений вблизи мест нарушения; д) наличие посторонних включений в зоне возможных появлений

зародышей нарушения.

Итак, основными причинами появления нарушений сплошности тела являются возникновение растягивающих напряжений и неудов­ летворительное развитие процессов залечивания дефектов при деформации.

§ 13

ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Исходя из ранее обоснованных положений о том, что пластичность является не свойством, а состоянием металлического вещества, определяемым в конечном итоге соотношением скоростей развития процессов нарушения сплошности и их устранения (залечивания), можно перейти к установлению граничных условий пластического

состояния материала при величине нагружения его внешними силами выше значения напряжений начала пластической деформа­ ции. В практике вместо терминов «развитие процессов нарушения сплошности» и «развитие процессов залечивания» часто используют издавна привычные термины «упрочнение» и «разупрочнение» мате­ риала в процессе пластической деформации (под этими терминами следует понимать протекание сложных микро- и макропроцессов кинетики пластического течения и разрушения деформируемого материала).

Граничными условиями пластического состояния материала яв­ ляются хрупкость (разрушение без видимых следов пластической деформации) и сверхпластичность (деформация без видимых следов разрушения). Между этими двумя полярными состояниями нахо­ дится область обычной пластичности, распространяющаяся от очень близких к хрупкому состояний (полухрупкие и малопластичные материалы) до состояний высокой пластичности, которые вплотную примыкают к области сверхпластичности. В работе [211 предложено в качестве примера определение пластического состояния материала

залечивания дефектов (разупрочнения), сдвигают пластическое со­ стояние материала ближе к области сверхпластичности' и, .наоборот, факторы, подавляющие процессы залечивания или интенсифициру­ ющие процессы разрушения, способствуют приближению к области охрупчивания металла. Указанное положение носит в некоторой степени общий характер и имеет ряд исключений и аномалий. Так, например, при общей тенденции повышения пластичности в случае повышения температуры на кривой свойства—температура имеют место провалы пластичности в области средних и высоких темпера­ тур при закономерном охрупчивании в низкотемпературной зоне. Для сплавов на основе железа эти аномальные явления носят соот­ ветственно названия хладноломкости, синеломкости и краснолом­ кости [40]. При этом наблюдается закономерность охрупчивания металлического материала в области весьма высоких температур (перегрев и пережог). Аналогичным примером могут служить кривые зависимости пластичность—гидростатическое давление, пластич­ ность-—скорость деформации и т. д.

Определяя хрупкость, как состояние тела,' а отнюдь не имманент­ ное свойство материала, следует подчеркнуть, что понятие состоя­ ния включает в себя различные показатели: пространственные, вре­ менные и температурные, — участвующие в процессе механического воздействия сил. Изучению влияния различных показателей на склонность материала к переходу в хрупкое состояние посвящено большое Количество работ советских и зарубежных исследователей.

Исходя из основных позиций единого механизма разрушения (отрыв вследствие воздействия нормальных растягивающих напря­

59