Файл: Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением.pdf

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