- •Основные понятия о разрушении металлов и сплавов
- •Контрольные вопросы
- •Дислокационные модели процесса разрушения
- •Переход от хрупкого разрушения к вязкому
- •Вязкое разрушение
- •Влияние различных факторов на характер вязкого разрушения
- •О критериях пластического разрушения
- •Тема № 3.
- •Текстуры деформации
- •1. Общие представления, классификация текстур
- •5. Анизотропия основных свойств текстурованных материалов
- •3. Общие принципы влияния напряженно-деформированного состояния на тип текстуры деформации
- •4. Влияние условий деформации, кристаллохимической природы материала и легирования на конкретный тип текстур деформации
- •1. Основные теории формирования текстур рекристаллизации
- •2. Основные типы текстурных изменений при рекристаллизации
- •Сверхпластичность и возможности ее использования при обработке металлов давлением
- •1. Основные параметры, характеризующие пластическую деформацию в условиях сверхпластичности
- •2. Влияние условий деформации, микроструктуры и состава на сверхпластичность и основные параметры процесса
- •3. Основные особенности атомного механизма сверхпластичности
- •4. Практическое использование сверхпластичности при обработке металлов давлением
- •1. Введение: сущность и виды термомеханической обработки
- •2. Структурные превращения при тмо
- •3.Влияние термомеханической обработки на свойства металлов и сплавов
- •4.Области применения тмо
- •1.Общая характеристика неметаллических включений.
- •2.Технологическая пластичность стали с неметаллическими включениями
- •3.Основные понятия о разрушении металлов и сплавов
- •Внутренние дефекты горячекатанных заготовок
- •1.Основные группы дефектов, их характерные признаки, расположение и закономерности трансформации
- •2. Внутренние дефекты горячекатанных заготовок:
5. Анизотропия основных свойств текстурованных материалов
Практическое значение текстур связано с вызываемой ими анизотропией свойств, которая может быть значительной не только в материалах с кристаллическими решетками более низких симметрии, чем кубическая, но и в кубических материалах.
Наиболее текстурно чувствительными являются механические свойства, прежде всего упругие постоянные, а также магнитные свойства ферромагнетиков. Кроме того, для материалов с некубической решеткой — коэффициент термического расширения, электро и теплопроводность и некоторые другие свойства.
Интерес к этому вопросу со стороны специалистов в области обработки металлов давлением вызван, с одной стороны, тем, что во многих случаях важно знать, как можно изменить свойства и какие из них с помощью пластической деформации. Но есть и другой, в ряде случаев еще более важный аспект — как влияет текстура на сам процесс пластической деформации. Такое влияние оказывают прежде всего механические свойства и коэффициент термического расширения.
Предельное значение возможной анизотропии свойств в данном материале, вызванное кристаллографической текстурой, получают из данных об анизотропии свойств монокристаллов того же материала. Однако сопоставление этих данных с экспериментально найденной анизотропией свойств текстурованных поликристаллов часто дает существенно расходящиеся результаты. Вызвано это рядом причин, среди которых основными являются две: часто встречающееся наложение на кристаллографическую текстуру механической текстуры (вытянутая форма зерен и поэтому разное расстояние между границами вдоль и поперек зерна) и строчечность в расположении частиц дисперсных фаз.
Рис.
170. Ориентационная
зависимость модуля упругости Е
металлов
и сплавов с г. ц. к. решеткой (Cu
и Fе+48
% Ni)
после рекристаллизации (1) и холодной
прокатки (2)
Рис.
171. Ориентационная зависимость модуля
упругости Е
металлов
с о. ц. к. решеткой (Mo
и Fе)
после холодной прокатки (2)
и
рекристаллизации (1)
Что касается теоретического расчета анизотропии свойств, то для реальных материалов он дополнительно затрудняется многокомпонентностью текстур и их рассеянием.
Поэтому ниже наряду с данными об анизотропии свойств монокристаллов будут кратко приведены экспериментальные данные о свойствах текстурированных поликристаллов.
АНИЗОТРОПИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. Наиболее тесная корреляция с текстурой материала имеется у тех свойств, которые можно выразить тензорами четвертого ранга. Из механических свойств к ним относятся упругие характеристики. Как правило, характеристики, связанные с пластическим течением, только качественно коррелируют с текстурой. Однако для упругих свойств однозначные общие закономерности установить трудно. В ряде случаев в веществах с однотипной решеткой и текстурой анизотропия проявляется по-разному.
На рис. 170 и 171 показана ориентационная зависимость модуля упругости Е листов меди, сплава Fе+Ni (48%) с г.ц.к. решетками, а также Fе и Мо с о.ц.к. решетками после холодной прокатки и после рекристаллизации. Во всех случаях экстремальные значения приходятся на угол φ=45° к направлению прокатки, однако характер экстремума различен.
В материалах с г.ц.к. решеткой, прокатанных в холодном состоянии под углом 45° к (НП), значение Е минимально, а после рекристаллизации, когда формируется кубическая текстура, максимально. Иначе ведут себя о.ц.к. металлы. В железе 45° соответствует минимум Е в холоднокатаном и рекристаллизованном состояниях, тогда как в листах молибдена значение Е в этом направлении наибольшее.
Рис.
172. Анизотропия значений ,E,
а также
числа
гибов до разрушения n
для
патентированных и холоднокатаных
листов стали
Следует учитывать, что, кроме текстуры, на значение Е влияет и наличие дислокаций. Последние снижают величину Е. Поэтому часто при малых степенях деформации Е уменьшается вследствие увеличения плотности дислокаций, а далее по мере усиления роли текстуры Е начинает расти.
Анизотропия модуля упругости нашла практическое применение в пружинах, максимальная энергия которых равна
где — объем пружины; — предел упругости; Е — модуль нормальной упругости.
достигается в материалах с высоким , т. е. с высоким Е.
На рис. 172 в качестве примера показана анизотропия значений , E и , а также числа гибов n до разрушения для патентированных и холоднокатаных листов стали. Видно, что направления НП и ПП (угол 0 и 90° соответственно) характерны максимальным значениям упругих характеристик, тогда как п максимально под углом 30° к НП, а минимально в направлении ПП.
Эта закономерность хорошо объясняется кристаллографически. Направление <112> близко к направлению <111>, вдоль которого Е максимально. Направление <100>, вдоль которого Е минимально в текстурах г.ц.к. металлов (Аl, Сu), располагается под углом, близким к 45° к <111> и <112>.
Рекристаллизация г.ц.к. металлов, приводящая к образованию кубической текстуры, должна изменить характер указанной выше анизотропии.
В прокатанных листовых материала с о.ц.к. решеткой анизотропия и , а также δ выражена не очень резко. Но закономерность сводится к тому, что прочность ( и ) максимальна в направлении ПН, а удлинение в НП.
Особо важное значение имеет влияние текстуры на способность листовых материалов к деформации глубокой вытяжкой без разрушения. При наличии текстуры возможно образование фестонов (рис. 173), удаление которых резанием приводит к потерям металла, разнотолщинности и удорожанию изделий.
Рис.
173. Фестонистость, возникающая при
глубокой вытяжке листовой меди с
кубической текстурой, вследствие
анизотропи пластичности:
а —
без текстуры; б
—
с текстурой
Рис.
174. Зависимость
и числа гибов я в плоскости листа цинка
(г.п.у. решетка) от угла к направлению
прокатки φ
Фестонистость характеризуется высотой фестона или глубиной впадины между фестонами в мм или в , а также числом фестонов по окружности и их взаиморасположением.
Так, в листах меди и других г.ц.к. металлов при наличии кубической текстуры фестонистость проявляется особенно резко. При этом число фестонов равно четырем, они располагаются под углами 0 и 90 к НП.
Кроме того, для листовой меди существует линейная связь между высотой фестонов и долей кристаллов с кубической компонентой. Поэтому отсутствие кубической текстуры — одно из важнейших условий борьбы с фестонистостью.
Пониженная способность к вытяжке листов, в которых параллельно плоскости листа ориентирована плоскость куба {100} установлена и для стали. Значительно более пластичным является лист с текстурой {111}.
При текстуре прокатки, характерной для меди и алюминия {110}<112>+{112}<111>, четыре фестона располагаются под углом 45° к НП.
На степень и характер фестонистости влияют много факторов.
С текстурой связано известное явление пресс-эффекта, заключающееся в том, что при определённых условиях прессования алюминиевых сплавов их прочностные свойства в направлении прессования оказываются значительно более высокими, чем в направлении течения металла при иных схемах деформаций, например при прокатке.
Гексагональные монокристаллы, обладающие более низкой симметрией, чем кубические, характеризуются соответственно более сильной анизотропией свойств. Сказанное справедливо и в отношении текстурированных поликристаллов с гексагональной решеткой. Однако в данном случае почти нет единых закономерностей. Для металлов и сплавов с разным соотношением с/а эти отношения различны.
Наиболее изучены цинк и его сплавы, слабее магний, бериллий и титан.
Как правило, предел нормальной упругости Е максимален в плоскости базиса и минимален в направлении шестого порядка. Поэтому в зависимости от того, как при деформации будет ориентирована плоскость базиса, будет зависеть и направление образца, в котором Е максимально. В плоскости же прокатки Е максимально в направлении НП и меньше в ПП. Прочность выше в ПП, а пластичность (число гибов до разрушения) в НП (рис. 174).
Связано это с тем, что прочность максимальна в образцах, у Которых базисная плоскость лежит в долевом направлении, т. е. у которых угол между гексагональной осью и продольным направлением образца близок к 90°.
В связи с тем что базисная плоскость в листах цинка повернута вокруг направления ПН, образцы, вырезанные поперек направления прокатки, более прочны, чем вырезанные вдоль направления прокатки. Такая же закономерность (прочность ПП больше, чем в НП) установлена для магния и его сплавов. В целом же магний более анизотропен, чем цинк. Можно было ожидать, что в металлах с с/а< 1,633 зависимость .будет обратной. Однако прямых подтверждений этого пока нет. Для прокатанного титана анизотропия прочности и удлинения в плоскости базиса не установлена.
Для многих гексагональных металлов и сплавов отчетливо проявляется анизотропия пластичности (деформируемости).
Так, бериллиевая проволока наиболее пластична, когда гексагональная ось расположена перпендикулярно оси проволоки, а бериллиевый лист —когда базисные плоскости расположены параллельно плоскости листа.
Для ряда металлов гексагональной симметрии обнаружен интересный эффект упрочнения тёкстурированием, под которым понимают упрочнение за счет создания такой текстуры, которая трудно деформируется. Наиболее четко этот эффект должен проявиться на металлах с с/а≤ 1,633 (Мg, Тi, Zr), для которых идеальной текстурой прокатки является {0001} <1010>. При растяжении полосы с такой текстурой все сдвиги располагаются в плоскости полосы (плоскости базиса), в которой будут действовать три направления скольжения, соответствующие призматическому {1010} и гексагональному {1011} скольжению.
Но стойкость против утонения, оцениваемая параметром R (, где и — соответственно деформация по ширине и толщине), характеризует степень упрочнения материала. В пол-ностью изотропном поликристалле R=1. В полностью идеальной гексагональной текстуре с ориентировкой {0001} <1011>R=∞. В реальных случаях вследствие отклонения ориентировки от идеальной 1<R<∞. Обычно встречающиеся значения R для гексагональных металлов составляют 3—7, при этом Я слабо зависит от направления в плоскости базиса.
При деформации по схеме двухосного растяжения (его можно рассматривать. как результирующую гидростатического растяжения и одноосного сжатия) пластическое течение начнется только тогда, когда растягивающее напряжение превысит сжимающее, перпендикулярное поверхности листа.
Для сильно текстурованных гексагональных материалов отсутствие подходяще ориентированной системы скольжения для утонения и приводит к высокому пределу текучести при сжатии, а значит к заметному упрочнению при двухосном растяжении.
Практическое использование подобного упрочнения текстурованием может представлять интерес при производстве баллонов из листов для поверхностей, которые должны быть стойкими против удара. Перспективными в этом плане являются сплавы на основе титана, бериллия и др.
Для специалистов в области обработки металлов давлением важны сведения о том, как сказывается текстура на поведении металла при пластической деформации, в том числе на таких параметрах, как уширение, форма заготовки, давление металла на валки и др. Данные, имеющиеся в литературе по этому вопросу, весьма ограниченны, но свидетельствуют, несомненно, о наличии такого влияния.
Изучалось поведение железа и сплава Fе+Si (2,16%) с аксиальной текстурой <100>, а также искусственно созданных с помощью аргонодуговой сварки квазибикристаллов, состоящих из вырезанных под разными углами полосок листа электротехнической стали ЭИ330 с совершенной ребровой текстурой {110}<001>.
Анализ анизотропии пластического течения в кристаллитах <100> для случая, когда основной системой скольжения является {110}<111>, приводит к выводу о том, что наиболее благоприятным направлением деформации является ребро куба <100>, наименее благоприятным <110>. Остальные направления занимают промежуточные положения. Экспериментальные данные хорошо объясняются, исходя из этих представлений.
При горячей прокатке различно ориентированных образцов с аксиальной текстурой <100> показано, что наибольшее уширение имеет место у образцов, в которых ось <100> расположена поперек прокатки (по ширине образцов). Образцы, в которых ось <100> была ориентирована вдоль образцов, уширялись меньше (47 и 36% соответственно). С увеличением обжатия разница в уширении уменьшается.
Холодная прокатка образцов с исходной плоской текстурой куба (плоскость {100} параллельна поверхности образца, а направление <001> повернуто на разные углы α относительно направления прокатки) показала, что полоса изгибается в плоскости прокатки, но по-разному в зависимости от угла α. При α = 0 изгиб отсутствовал, при α=30° изгиб был наибольшим (ось образца по выходе из валков отклонялась относительно исходного направления на 25°).
Причина изгиба в том, что при направление течения метала в очаге деформации не совпадает с осью прокатки.
Если же направление <100> наклонено к плоскости прокатки, то и полоса будет изгибаться в вертикальной плоскости (плоскость изгиба не будет совпадать с плоскостью прокатки).
Различная ориентировка систем скольжения относительно действующих напряжений вызывает и различие в сопротивлении деформации, т. е. в давлении металла на валки.
Поэтому при прокатке образцов {110}<001> вдоль ребра куба требуются минимальные усилия для деформации.
Прокатка сварных квазибикристаллов, в одной части которых системы скольжения ориентированы иначе, чем в другой, приводит к тому, что векторы главных деформаций в этих частях оказываются непараллельными, кроме того, различными окажутся и упругие деформации валков. Это вызывает искажения в ориентировке и форме полосы, выходящей из валков в виде разнотолщинности по ширине, продольного и горизонтального изгиба, коробоватости, волнистости и закручивания. Конкретный характер макроискажений определяется взаимным расположением преимущественных систем скольжения и соответственно векторов главных деформаций в обеих частях бикристалла.
Некоторые характерные случаи отклонения формы полос от плоской в образцах, состоящих; из макроучастков с разными текстурами, показаны на рис. 175.
Рис
175. Характерные отклонения формы
прокатанных полос от плоской, возникающие
вследствие различия текстур в разных
макрообъемах у исходных заготовок:
1—4
— вид
сбоку; 1’—4’
— вид
сверху
АНИЗОТРОПИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ- Этот случай анизотропии может привести к существенным изменениям в структуре, а значит и в свойствах,, если тело подвергается термоциклированию. Такая обработка с небольшим числом циклов может встретиться в процессе пластической деформации.
Коэффициент а термического расширения (КТР) существенно анизотропен для некубических кристаллов. В гексагональных кристаллах эта анизотропия тем сильнее, чем больше с/а отличается от 1,633. КТР соответственно при параллельном и перпендикулярном расположении к оси С равен: для Мg (с/а= 1,624) 25-10-6 и 25,4Х10-6, для Zn (с/a= 1,856) 63,9-10-6 и 14,1-10-6, для Sn (с/а = 1,546) 30,5 10-6 и 15,5- 10-6 -1.
При нагреве поликристаллов с некубической решеткой в них возникают значительные внутренние локальные напряжения. Они тем больше, чем больше анизотропия КТР. Они вызываются тем, что изменению размеров отдельных кристаллитов в соответствии с их КТР препятствуют соседние, иначе ориентированные зерна. Эти напряжения могут вызвать пластическую деформацию в отдельных кристаллитах, повышение плотности дислокаций и точечных дефектов, а при определенных условиях привести к трещинообразованию.
Особенностью рассмотренных эффектов в текстурированиых материалах является то, что термоциклирование может вызвать анизотропное изменение макроскопических размеров образца.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Вассерман Г., Греоен И. Текстуры металлических материалов. М., «Металлургия», 1969. 654 с. с ил.
Кудрявцев И. П. Текстуры в металлах и сплавах. М., «Металлургия», 1965. 292 с. с ил.
Смирнов В. С, Дурнев В. Д. Текстурообразование металлов при прокатке. М., «Металлургия», 300 с. с ил.
Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М., «Мир», 1972. 408 с. с ил.