лекции_1 / Лекция 6_Эволюция структуры

процессов и механического перемешивания.

Внутри зоны 3, в которой имеют место градиенты деформации и субзеренная структура, зарождаются несплошности и трещины как результат накопления элементов трибодеструкции, обусловленной влиянием циклов переменных напряжений. Обычно границы данной зоны определяются металлографически. Материал зоны 4 претерпевает только квазиупругие деформации со следами скольжения. Его структура практически не отличается от исходной.

По методам исследования можно выделить следующие характерные масштабные уровни. 1. Микроскопический, включающий:

а) атомный la ≈ a (точечные дефекты, а – параметр решетки) и

б) дислокационный, с характерными размерами ld ≈ 1/ρ, где ρ − плотность дислокаций. При ρ ≈ 1014…1016 м-2 d ≈ 10-7...10-8 м = 30 ... 300 а. Основной метод исследований на этом уровне – рассмотрение дефектов, как квази-частиц (возбуждений), движущихся в неподвижной среде - идеальном кристалле.

2. Мезоскопический, с размерами lm = 10-7... 3 10-6 м = 0,1 ... 3 мкм. В объеме lm3 ~ содержится уже достаточно много дефектов, чтобы их поведение было аддитивным, т.е. чтобы кооперативные эффекты в их системах выходили на первое место. Например, при ρ ≈ 1015м-2 и lm ≈ 3 10-7 м число дислокаций в элементарном объеме N = ρ lm2 ≈ 102. Но, с другой стороны, размеры lm еще столь малы, что не позволяют использовать для описания методы сплошной среды из-за больших значений как флуктуаций плотности дефектов, так и их градиентов, связанных с кооперативными эффектами.

К этому уровню по свойствам примыкает фрагментарный уровень lfr ≈ 3...10 lm, обусловленный кооперативными эффектами в системах мезообъемов. Отметим, что эффекты на мезо- и фрагментарном уровнях играют основную роль в образовании диссипативных поверхностных слоев при трении.

3. Структурные уровни (lst) - охватывают интервалы размеров исходных структур – выделений фаз, размеров зерен их комплексов. Обычно lst ≈ 3 10-7...10-3 м. В процессах контактных взаимодействий и больших локальных деформаций эффекты, связанные с поликристалличностью, играют относительно меньшую роль, а эффекты, обусловленные фазовой структурой, изучались только на макроуровне (например, через влияние на микротвердость).

4. Макроуровень с lm ≥ 10lst, т.е. с lm = 10-5...10-2 м, на котором возможно усреднение по основным неоднородностям и, следовательно, описание методами упруго-пластической среды.

Отметим основные эффекты при трении, изучаемые сейчас на разных масштабных уровнях.

1.Макроуровень. Изнашивание не есть локальное свойство, зависящее только от контактирующих материалов, смазки между ними и локальных напряжений. Оно есть свойство узла трения, и определяется всей геометрией узла, возникающими в нем объемными колебаниями, напряжениями первого рода и их релаксацией и т.д.

Сюда же следует отнести макроскопические тепловые потоки. Одно из возможных объяснений схватывания цилиндрических поверхностей трения - изменение формы деталей из-за релаксации напряжений 1-го рода под влиянием переменных тепловых потоков, приводящее к исчезновению зазоров между поверхностями.

2.Микроскопические эффекты исследованы, по-видимому, хуже всего. Но возможно, что их роль не очень велика. К эффектам атомного масштаба следует отнести типы межатомных связей, их распределение в пространстве и степень насыщенности. Они определяют возможность перехода в ультрадисперсное или аморфное состояние поверхностных слоев, возможности восстановления разрывов сплошности, налипания частиц износа и ряд химических эффектов (образование новых фаз и др.).

Электронная структура определяет удельную энергию дефекта упаковки, и, следовательно, легкость размножения дислокаций. Эффекты же, связанные с отдельными дефектами решетки в структурах трения после больших пластических деформаций, «несущественны».

3.Мезоскопический масштаб, по имеющимся данным, является основным при контактных воздействиях, когда поверхностные слои фрагментируются - разбиваются на взаимно разориентированные микрообъемы. Их размер в наружном слое наименьший и, в зависимости от нагрузки и материала, может колебаться от ~ 0,1 до 1,5 мкм, увеличиваясь затем до 0,5 ... 2 мкм, по мере удаления от поверхности. Очевидно, что длина свободного пробега дислокаций не может превышать этих размеров. Поэтому можно утверждать, что в поверхностных слоях при трении масштаб неоднородности

пластической деформации - мезоскопический lm. Следовательно, флуктуации полей напряжений имеют тот же масштаб. Эти напряжения - промежуточные между структурными напряжениями и атомными.

Кроме того, возможны кооперативные движения в системах мезоэлементов lrr ~ 10 ljr и появление неоднородностей структуры, деформации и напряжений того же масштаба. В частности, зародышевые трещины, по-видимому, имеют масштаб ~ lm, а кооперативные эффекты в системах захватывают объемы

сразмерами ~ ljr.

4.Поверхностные слои имеют мезоскопические размеры по толщине и макроскопические - вдоль

поверхности: Это вызывает ряд свойств со смешанными характерными масштабами lm, ljr и lM. Прежде всего, это плоский слой со средними напряжениями сжатия - рис. 2.

Рис. 2. Механизм образования сжимающих напряжений при деформации поверхностного слоя.

а) деформация под действием движущегося концентратора; б) образование дислокационных зарядов Δρ; в) распределение Δρ, обуславливающее сжатие поверхностного слоя

Разумеется, нарисованные дислокации Δρ нельзя понимать буквально. Это есть некоторые дефектные структуры, создающие такие же дальнодействующие упругие поля, как и приведенная система дислокационных зарядов. Чаще всего, это дисклинационные диполи - рис. 3.

(в)

Рис.3. Зарождение ротационных движений в твердом теле за счет внешнего источника неоднородных напряжений.

а) общая схема; б) движение дислокаций; в) электронномикроскопическая картина зарождения диполя

Кроме того, может быть несколько слоев, отличающихся фазовым и химическим составом, что обычно фиксируется по изменению микротвердости, рентгеновских линий и т. д. Таким образом, поверхностные слои представляют собой слоистый композиционный материал с переменными по толщине физико-химическими свойствами, структурой и фазовым составом.

Обсудим некоторые положения, касающиеся ротационного механизма деформации.

1. Переход от трансляционной деформации за счет обычного скольжения дислокаций к ротационной аналогичен переходу от ламинарного течения жидкости к турбулентному. Ротационная деформация заключается в разбиении материала на взаимно разориентированные объемы, уменьшении их размеров и увеличении углов разориентации с деформацией. Повороты объемов вызывают сдвиги окружающего материала, т.е. деформацию на следующем масштабном уровне - рис. 3,а.

а) полосовая - последовательность ротационных полос, зарождающихся последовательно под действием напряжений от уже имеющихся - рис. 4а;

б) шашечная структура, состоящая из разориентированных прямоугольников - рис. 4в. Между ними может быть структура из полос с перетяжками из дислокационных жгутов – рис. 4б;

в) фрагментированная ротационная структура, состоящая из отдельных хаотически разориентированннх элементов - рис. 4г.

5. Необратимость ротационного процесса.

Она заключается в том, что поведение микрообьемов в ротационной структуре зависит от знака нагрузки. В результате углы поворота необратимо растут при увеличении числа даже чисто симметричных циклов нагрузки.

Подводя итог, можно сказать, что большим и, особенно, циклическим деформациям свойственны ротационные механизмы и структуры и что по мере увеличения деформации или циклов нагружения ротационные структуры развиваются, переходя из одной формы в другую и приближаясь к «исчерпанию пластичности».

6. Аномальный массоперенос Кроме обычных объемной и зернограничной диффузий в поверхностных слоях материалов часто

наблюдается перемещение отдельных атомов (и даже целых комплексов) с повышенными скоростями. Эти явления часто называют аномальным массопереносом.

6. Возбужденное состояние Считается, что между кристаллическим и жидким состоянием может существовать некоторое

специфическое состояние, обычно называемое возбужденным. Оно обладает одновременно свойствами как жидкой, так и кристаллической фазы. Например, обладает дальним порядком, как кристалл, и свойствами вязкого течения (Стоксовского или Ньютоновского), как жидкость. На возможность появления возбужденного состояния указывают многочисленные эксперименты. Отметим следующие.

1. Аномальный массоперенос за счет факелов внедренных атомов или дислокационно-динамической диффузии. Очевидно, что в обычном квазиравновесном состоянии такие процессы невозможны.

2. Сверхпластичность. Этот эффект наступает при переходе границ зерен в возбужденное, «жидкоподобное» состояние.

Основные положения, определяющие понятие «возбужденное состояние».

1)При переходе в возбужденное состояние скачком изменяются свойства материала - коэффициенты диффузии, закон течения и т.д.

2)Переход в возбужденное состояние происходит под внешним воздействием (силовым, потоковым

ит.д.) с интенсивностью, выше некоторой критической. Это означает, что переходу предшествует накопление каких-то элементарных возбуждений, концентрация которых достигает критического значения. При снятии внешнего воздействия возбужденное состояние релаксирует - избыточная локальная латентная энергия переходит в тепловую и уходит из объема.

3)С точки зрения термодинамики, основная причина перехода в возбужденное состояние - невозможность другим способом диссипировать падающую на этот объем энергию. Следовательно, такой переход сопровождается образованием диссипативных структур.

Исходя из всего сказанного, можно определить возбужденное состояние как некоторую многомасштабную диссипативную структуру, образующуюся под действием энергетических воздействий извне, обладающую кинетическими и механическими свойствами, отличными от квазиравновесных, и релаксирующую достаточно быстро после снятия внешних воздействий.

Структуры при трении. Структурные изменения в основном материале при трении скольжения заключаются, главным образом, в глубоком его деформировании. Методы исследования деформации в материалах, особенно, если это касается исследований деформационных субструктур в металлах, хорошо разработаны. Наиболее распространенными являются изучение следов пластического течения на поверхности, исследование структурных изменений и смещений, искусственно введенных или естественных маркеров на заранее приготовленных сечениях.

Вслучае простых ГЦК материалов, таких как медь, развитие деформации при трении следует общеизвестным закономерностям развития дислокационной субструктуры, при этом следует учесть, что степень деформации в приповерхностных слоях может быть настолько велика, что в результате

получаются фрагменты нанокристаллических размеров. При этом значительно возрастает твердость материала. Очевидно, что рассмотреть все частные случаи невозможно. На микроструктурном уровне такие исследования проведены только для ряда частных случаев. Их рассмотрением мы и ограничимся.

1. Ротационные структуры.

а. В поверхностных слоях образуются типичные фрагментированные структуры. Размеры фрагментов lfr и углы разориентаций между ними зависят как от жесткости режима (контактных напряжений), так и от пластических свойств материала. Для меди, например, при больших напряжениях lrr = 300 ... 1500 Å в материале, находящемся непосредственно под слоем переноса. Для сталей в тех же условиях ljr ~ 0,3 ... 1 мкм. Углы разориентаций могут достигать 40 ... 60°, но их распределение очень неоднородно: рядом с границами ϕ ~50° могут лежать границы с ϕ ~ 10 ... 20°. Все это указывает на очень большие значения пластических деформаций в поверхностных слоях εпов. Точную количественную оценку εпов дать трудно. Сравнение со структурами в шейке, устойчивыми полосами скольжения и ползучестью позволяет сказать, что εпов > 1, по-видимому, достигает значений 3 ... 5 до разрушения слоев.

б. Толщина слоя с ротационными структурами почти на порядок превышает характерные размеры зон напряжений и их градиентов от внешних концентраторов. Например, при высоте микронеровностей ~5 мкм глубина ротационного слоя может достигать 20 ... 30 мкм.

Тот факт, что реальные ротации имеют место на гораздо больших глубинах, означает, что по мере развития фрагментированной структуры в поверхностных слоях появляются новые концентраторы. При этом ротационный процесс развивается как бы по эстафете первичные повороты вблизи поверхности зарождают дисклинации на границе этого слоя (например, на

тройных стыках фрагментов), - они вызывают ротации в

Рис. 5. Развитие ротационных следующем слое и т.д. (рис. 5). структур

Величина деформации быстро убывает при углублении в материал. Поэтому в некоторых случаях можно увидеть все типы ротационных структур (рис. 6, 7).