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

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