2.Технологическая пластичность стали с неметаллическими включениями

Технологическая пластичность стали при горячей, теплой и хо­лодной деформации резко ухудшается из-за наличия неметаллических включений, особенно если они образуют скопления. Это вызвано тем, что пластические свойства включений и стальной матрицы сущест­венно различны.

Снижение технологической пластичности стали при высоких тем­пературах называется красноломкостью. Она может быть вызвана неметаллическими включениями в двух случаях. Во-первых когда в процессе горячей деформации из пересыщенного примесями твердого раствора выделяются твердые, остроугольные недеформирующиеся включения оксидов или нитридов, образующие скопления в местах ликвации кислорода, серы и других элементов. Новые вклю­чения располагаются на дефектах структуры (дислокациях, субграницах и границах зерен), уменьшая их подвижность и ослабляя связь между кристаллами. Во-вторых, красноломкость проявляется, когда легкоплавкие включения имеют температуру плавления (или размяг­чения) ниже температуры горячей деформации стали. К наиболее распространенным случаям красноломкости этого вида следует от­нести сульфидную и силикатную красноломкость. Включения суль­фидных эвтектик FeO — FeS, FeO — (Fe, Mn) S, FeS — (Fe, Mn) S, (Fe, Mn) S — (Fe, Cr, Mn) S, FeO — (Fe, Cr, Mn) S имеют температу­ры плавления соответственно 980, 1120, 1050, 1190, 1250 °С. Вклю­чения силикатной эвтектики МпО • Si0₂ — FeO- Si0₂ расплавляются при достижении температуры 1230 °С.

Оплавление включений приводит к резкому падению пластичности стали. Этого можно избежать, снизив до минимума загрязненность стали включениями либо исключив возможности формирования легко­плавких включений. Последнее достигается при введении повышен­ного количества марганца, в результате чего возникают тугоплавкие сульфиды марганца, у которых температура плавления 1620 °С, что значительно выше температур горячей деформации стали.

Влияние неметаллических включений на технологическую плас­тичность стали зависит от поведения их при деформации.

3.Основные понятия о разрушении металлов и сплавов

Металлы и сплавы разрушаются путем образования и распростра­нения трещин. В зависимости от температуры, скорости деформации, структуры металла это происходит по нескольким механизмам. Для реализации разрушения необходима энергия накопленной деформации.

По величине деформации, предшествующей разрушению, разли­чают три вида разрушения: хрупкое, вязкое и квазихрупкое (квази­вязкое). Последнее является промежуточным, так как имеет признаки и хрупкого, и вязкого разрушения.

По структурному признаку выделяют транскристаллитное и ин­теркристаллитное разрушение. В случае транскристаллитного раз­рушения трещины распространяются через зерна, при интеркристаллитном — они проходят по границам зерен.

Разрушение — это сложный, многостадийный процесс, развиваю­щийся на структурном и атомном уровнях. Условием высокой проч­ности металлов и сплавов, упрочненных деформацией, является вы­сокая плотность дислокаций, движение которых должно быть затор­можено внутренними барьерами. Последние делят на «жесткие» и «полупроницаемые». Жесткие барьеры способствуют очень большой локализации напряжений, так как совершенно не пропускают дисло­кации. Указанные напряжения могут превысить величину предела прочности и привести к разрушению. К жестким барьерам относятся большеугловые границы, некогерентные частицы второй фазы (не пла­стичные). .Полупроницаемые барьеры на определенном этапе не про­пускают дислокации, вызывают их скопление и способствуют локали­зации напряжений. Если эти напряжения приближаются к величине предела прочности, происходит их релаксация путем прорыва дисло­каций. К полупроницаемым барьерам относятся мало- и среднеугло-вые границы, когерентные включения и пластичные частицы второй фазы.

В структурном аспекте зарождение трещин подчиняется строгим закономерностям. Микротрещины образуются лишь после того, как в деформируемом металле разовьется структурное состояние, конкрет­ный вид которого зависит от условий деформации. Зародышевые мик­ротрещины образуются в строго определенных элементах сформиро­вавшейся структуры, а их плотность резко возрастает с увеличением степени деформации. Развитие зародышевых микротрещин обуслов­лено типом структурного состояния металла. Таким образом, разру­шение является структурно-детерминированным процессом.

Разрушение можно представить как следствие двух конкурирую­щих процессов: накопления в ходе пластической деформации внутрен­них напряжений и их пластической релаксации. При действии этих двух процессов дислокационная и зеренная структуры металла постоянно изменяются, что может привести к критическому состоянию. Кри­тическая структура (структура предразрушения) — это такая структура, которая не может видоизменяться без образования трещин.

Рис.1 – Схема образования микротрещин

Хрупкое разрушение наблюдается тогда, когда ему предшествует совсем небольшая пластическая деформация металла. Этот вид раз­рушения сопровождается минимальным поглощением энергии и про­ходит со скоростью, близкой к скорости звука. Хрупкие трещины возникают в металле под действием внешних нагрузок. Механизмы их возникновения носят дислокационный характер (рис. 1).

Согласно модели Мотта — Стро микротрещины образуются в местах скопления групп краевых дислокаций у границы зерен или неметал­лического включения, в этом случае трещина зарождается в резуль­тате слияния нескольких головных дислокаций скопления (рис. 1, а). Расчеты показали, что количество дислокаций в скоплении достигает 10²—10³. Трещина формируется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, если напряжение в месте торможения сдвига достигает значения, примерно равного ³/₄G.

По механизму Коттрелла, если дислокации движутся в двух пе­ресекающихся плоскостях скольжения, например () и (101), то в месте их пересечения появляются раскалывающие дислокации по реакции: а/2 [] + а/2 [111] → а [001]. В результате в плоскости (001), являющейся плоскостью скола, возникает трещина (рис. 1, б). Согласно модели Гилмана дислокации могут скапливаться у границы зерна, как на рис. 2.44, а, при этом происходит изгиб полосы сколь­жения и трещина раскрывается в плоскости скольжения.

Механизм Орована основан на пересечении вертикальных дисло­кационных стенок полосами скольжения (рис. 1, в). Условиями зарождения трещины могут быть сильная разориентировка субзерен и обрыв субграницы. Трещинообразование возможно в результате торможения двойников, движущихся с высокой скоростью, границами зерен и субзерен (рис. 1, г); встречи двойников друг с другом, по­скольку двойники при блокировке их движения способны создавать высокие напряжения.

Дисклинационные механизмы образования трещин аналогичны дис­локационным и проявляются при больших степенях деформации, когда размножение и движение в кристалле дисклинаций приводят к фрагментации кристалла, т. е. к делению его на сильноразориентированные малые области. В результате возможны дисклинационные сбросы. Трещины клиновой формы возникают в стыках фрагментов и распространяются вдоль субграниц.

Условия роста хрупкой трещины определяются критерием Гриффитса: напряжение а в вершине трещины, обеспечивающее ее распространение, должно достичь критической величины согласно-выражению

(1)

где — удельная поверхностная энергия трещины; с — размер тре­щины. Выражение (1) справедливо для случая упругой деформа­ции металла. Небольшая пластическая деформация, предшествующая хрупкому разрушению, способствует тому, что роль трещины как концентратора напряжений снижается, поскольку в результате пласти­ческой деформации радиус кривизны р_т в вершине трещины увели­чивается. Поэтому потребность в энергии, необходимой для продол­жения распространения трещины, возрастает. Для указанных усло­вий критерий Гриффитса имеет следующий вид:

(2)

Здесь а — межатомное расстояние.

В процессе разрушения накопленная энергия деформации металла расходуется на образование поверхности разрушения и частично пе­реходит в кинетическую энергию распространяющейся трещины. Хрупкое разрушение или скол металлов осуществляется по опреде­ленным кристаллографическим плоскостям скола в зависимости от типа кристаллической решетки.

Хрупкое транскристаллитное разрушение может реализоваться сколом и срезом, которые отличаются видом поверхностей разрушения. Поверхность скола имеет кристаллографическую направленность и представляет собой почти гладкие участки с мелкими ступеньками(так называемый «речной узор»). Этот рельеф свиде­тельствует о том, что поверхность скола не целиком располагается в одной плоскости, а трещина по сту­пенькам изменяет свое направле­ние и переходит в другие парал­лельные плоскости благодаря встре­че с винтовыми дислокациями или включениями. Поверхность среза волокнистая и не отличается кри­сталлографической направлен­ностью.

Хрупкое интеркристаллитное разрушение проявляется при ослаб-лении границ зерен металла в ре­зультате скопления на них приме­сей.

Вязкое разрушение происходит после значительной пластической деформации. Оно развивается пу­тем образования и слияния пор в сильно деформированной области шейки образца. Раньше мы пришли к выводу, что неоднородность пластической деформации приводит к локализации деформации и неравномерному упрочнению металла. В результате этого в отдельных областях металлического образца на­пряжения превышают предел прочности металла, что приводит к об­разованию вязких трещин, или микропор . Вязкие трещины отличаются от хрупких овальной формой. Поры появляются в местах пересечения плоскостей скольжения друг с другом, с границами зерен сильно деформированной области шейки образца. Раньше мы пришли к выводу, что неоднородность пластической деформации приводит к локализации деформации и неравномерному упрочнению металла. В результате этого в отдельных областях металлического образца на­пряжения превышают предел прочности металла, что приводит к об­разованию вязких трещин, или микропор. Вязкие трещины отличаются от хрупких овальной формой. Поры появляются в местах пересечения плоскостей скольжения друг с другом, с границами зерен и субзёрен, у неметалличе­ских включений, т. е. в наи­более напряженных участках ячеистой дислокационной структуры.

Рост пор происходит в результате развития пластической деформации в прилегающих областях и выхода дисло­каций на поверхность пор. При растя­жении поры растут под углом 45° по от­ношению к внешнему напряжению или параллельно ему, т. е. в направлении ин­тенсивной деформации. В процессе ро­ста поры сливаются и образуют магист­ральную трещину, распространяющую­ся по конусной поверхности через тело зерен, т. е. происходит вязкое транскристаллитное разрушение.

Рис 2- Влияние температуры на сопротивление разрушению границ и тела зерен

Рельеф поверхности излома в случае вязкого транскристаллитного разрушения состоит из лунок, которые называют чаш­ками, а сам излом — чашечным. Иногда на поверхности излома встре­чаются участки с удлиненными лунками, что объясняется совпаде­нием поверхности разрушения с плоскостью, в которой действуют максимальные касательные напряжения.

При повышении температуры деформации возможен переход от транскристаллитного к вязкому интеркристаллитному разрушению металла. Температура перехода называется эквикогезивной температурой, выше которой металл разрушается по гра­ницам зерен, а ниже — по телу зерен (рис.2). При нагреве выше tэ прочность металла определяется поведением границ зерен, по ко­торым преимущественно происходит деформация в результате разви­тия проскальзывания. Прочность границ зерен выше (ниже) прочности тела зерен при температурах ниже (выше) tэ.

Высокотемпературное интеркристаллитное разрушение происхо­дит в результате образования по границам зерен клиновидных трещин. Клиновидные трещины на стыках зерен зарождаются при относительно низких температурах (для железа, например, 900 °С ) и высоких скоростях деформации. Полости на грани­цах наблюдаются главным образом при высоких температурах (для железа, например, при 1100°С) и низких скоростях деформации.

Рис.3 – Схема образования межзёренных трещин.

Механизмы образования трещин и полостей на границах носят дислокационный характер (рис. 3). Трещины клиновидного типа возникают В результате торможения проскальзывания вдоль границ (или субграниц) на стыке трех зерен, обусловленного высокой кон­центрацией напряжений (рис. 3,а). Полости появляются в участ­ках пересечения границы полосой внутризеренного скольжения (рис. 3, б), в месте торможения которой на границе образуется порог-ступенька. В результате межзеренного проскальзывания попе­рек ступеньки действуют нормальные напряжения, способствующие зарождению полости.

Клиновидные трещины и межзеренные поры растут в результате межзеренного проскальзывания и выхода зернограничных и внутри-зёренных дислокаций на их поверхность. Диффузионное развитие межзереняых пор обусловлено движением вакансий к их поверхности.

Виды хрупкости металлов. Многие ме­таллы и сплавы при высоких температу­рах претерпевают вязкое разрушение, а с понижением температуры разруша­ются хрупко, т, е. обладают низкотем­пературной хрупкостью (хладнолом­костью). Переход от вязкого к хрупко­му состоянию обычно осуществляется в очень узком температурном интервале. Условия перехода можно описать с по­мощью схемы (рис. 4), согласно кото­рой материал имеет не зависящее от температуры испытания сопротивление хрупкому разрушений — отрыву и сильно уменьшающийся с повышением температуры предела текучести температуры предела текучести. Точка пресечения линий делит схему на две температурные области (соответственно левее и правее точки пересечения): хрупкого и вязкого разрушения. Точка пересечения линий соответствует критической температуре хрупко­сти ее называют, температурой хладноломкости.

Для металлов не существует постоянной температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое. Чем больше скорость деформации и размеры зерен металла, тем выше температура хладноломкости. Переход от вязкого к хрупкому состоянию происходит при ударном нагружении.

Рис.4 – Влияние температуры на предел текучести и сопротивление металла хрупкому разрушению

Увеличение количества примесей, особенно при их скоп­лении на границах зерен, также способствует повышению темпера­туры перехода металла в хрупкое состояние.

Интеркристаллитное разрушение при высоких температурах счи­тают проявлением высокотемпературной хрупкости (красноломкости), так как пластичность металлов в этом случае заметно понижается. Причины ослабления границ зерен могут быть связаны с выделением примесей или новых фаз по границам зерен, оплавлением легкоплав­ких включений, межкристаллитным окислением. Уменьшить склон­ность металлов к высокотемпературной хрупкости можно путем из­мельчения зерен, поскольку в случае большой протяженности границ интеркристаллитное разрушение затруднено.

Интеркристаллитная хрупкость сплавов может проявляться при низких температурах. В основе этого явления лежит специфическое состояние границ зерен, обеспечивающее минимальную энергию раз­рушения металла вдоль границ. Основными причинами интеркристаллитной хрупкости являются образование сегрегации примесей на гра­ницах зерен, а также действие внутренних напряжений в области границ, возникших в результате выделения избыточных фаз на границах.

Примеси могут вызывать не только интеркристаллитную хруп­кость. При высокой плотности дислокаций (декорированных приме­сями) внутри кристаллов, т. е. в случае образования внутри кристаллических сегрегации, проявляется внутрикристаллитная хрупкость. Такой механизм реализуется при разру­шении сплавов, предварительно подвергнутых нейтронному или лазерному облучению.

Вследствие формирования в процессе деформации кристаллогра­фической и структурной текстур может возникнуть анизотропия раз­рушения. Хрупкое разрушение наиболее опасно при расслоении а 45-градусной хрупкости (названной так в связи с распространением трещин под углом 45° по отношению к оси деформации). В этих слу­чаях разрушение локализуется по субграницам, в которых ранее была локализована пластическая деформация. Расслоение возникает в результате вязкого развития трещины вдоль субграниц слоистой ячеистой дислокационной структуры с разориентировкой около 10°.