Файл: Немкевич, А. С. Конструирование и расчет печатающих механизмов-1.pdf

Г Л А В А II

МЕХАНОХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

СКОРРОЗИОННОЙ СРЕДОЙ

1.МЕХАНОХИМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Деформация металла при коррозии под напряжением

В поликристаллических металлах различная ориентация отдель­ ных зерен обусловливает неодинаковое их сопротивление при­ ложенной нагрузке. Даже в тех случаях, когда эта нагрузка создает в металле средние макроскопические напряжения на­ много меньше предела текучести, отдельные микроучастки зерен, наименее благоприятно ориентированные, могут оказаться в со­ стоянии пластической деформации. Зарождение трещин устало­ стного и коррозионно-усталостного разрушения связано с локаль­ ной микропластической деформацией в отдельных слабых местах поверхности металла.

Рентгенографическими измерениями напряжений I и II рода на поверхности стали, подвергаемой коррозионному растрески­ ванию, установлено возникновение локальных очагов пластиче­ ской деформации в течение инкубационного периода, приводя­ щих к появлению зародышей коррозионных трещин [28].

Поликристаллические металлы, имеющие кубическую решетку, при пластической деформации упрочняются подобно монокри­ сталлам, по тому же самому закону упрочнения. Это объясняется наличием нескольких непараллельных систем скольжения, обес­ печивающих достаточную пластичность и нечувствительность пластических свойств, например,, г. ц. к. металлов к размеру зерна. В поликристаллических металлах с гексагональной ре­ шеткой, в которых скольжение идет главным образом по базис­ ным плотноупакованным плоскостям, не происходит упрочнения за счет взаимодействия дислокаций на пересекающихся систе­ мах скольжения, и путь скольжения зависит от размеров зерна.

Параметры т и у, описывающие пластическую деформацию

сдвига в монокристалле, могут быть рвязаны с «макроскопиче­ скими» параметрами, например описывающими пластическую деформацию одноосного растяжения образца, — напряжением а

и деформацией е. Величина касательного напряжения на пло­

В поликристаллических металлах зерна характеризуются сред­ ним напряжением сдвига, несколько меньшим, чем максимальное значение: (ст/3) < %< (ст/2).

42

отсюда следует, что если в вычислениях фигурирует произведе­ ние напряжения на приращение деформации, т. е. анализ основан только на энергетических характеристиках процесса пластиче­ ской деформации (например, при термодинамическом изучении), то можно пользоваться обозначениями, принятыми при описа­ нии «макроскопической» деформации образца.

Как обычно, рассмотрим кривую напряжение — деформация,

состоящую из трех стадий: легкого скольжения (I), деформа­ ционного упрочнения (II) и заключительной (III). Последняя стадия деформации, называемая также стадией динамического возврата, связана с разрушением дислокационных скоплений, Перегруппировкой дислокаций путем поперечного скольжения, выстраиванием их в полигональные субграницы. Эти процессы ведут к уменьшению энергии деформации, запасенной в мате­ риале, и к частичной взаимной аннигиляции дислокаций. Коэф­ фициент упрочнения на этой стадии уменьшается до нуля с ро­ стом деформации, как это и наблюдается на кривых напряжение— деформация.

На стадии легкого скольжения основной вклад в деформацию дают дислокации, вышедшие на поверхность кристалла, что под­ тверждается экспериментально [6]. На этой стадии (площадка текучести на кривой напряжение—деформация) пластическая

деформация растяжения отожженного технического железа [29 ] происходит путем лавинообразного течения, как это установлено наблюдениями линий скольжения на поверхности и методом дифракционной электронной микроскопии. По данным [30], в ходе легкого скольжения сдвиг не продолжается по тем пло­ скостям, где он уже происходил, так как легче активировать источники дислокаций в новых (неупрочненных) плоскостях скольжения.

Анализируя деформацию, разрушение и упрочнение металлов, можно считать, что из различных дефектов структуры основной вклад в скрытую энергию деформаций дают дислокации, по край­ ней мере, в области температур, близких к комнатной, и при повышенных температурах ниже температуры рекристалли­ зации.

Экспериментально показано [31], что независимо от харак­ тера деформации (растяжение, сжатие, кручение) и скорости на­ грева при температуре рекристаллизации происходит выделение энергии, обусловленное исчезновением дислокаций, образовав­ шихся в процессе деформации. Важно, что если дислокации об­ разуют плоские дислокационные скопления из п копланарных

дислокаций, то энергия, приходящаяся на каждую дислокацию, пропорциональна их числу п в одном скоплении I [31 ]. Напротив,

после отжига выстраивание дислокаций в субграницы значи-

43

тёльно понижает энергий каждой дислокации, что обусловли­ вает относительную равновесность такой конфигурации [5,31].

Величина запасенной энергии деформации различна на раз­ ных стадиях деформации [32]: на заключительной стадии III доля запасенной энергии составляет всего лишь около 5% от всей затраченной энергии деформации (остальные 95% рассеиваются в виде тепла, и это свидетельствует об аннигиляции дислокаций), тогда как на стадии деформационного упрочнения эта доля зна­ чительно больше. В литературе приводятся разные значения: например, в случае крупнозернистой меди доля запасенной энер­ гии достигает примерно 10%, а для более мелкозернистых мате­ риалов имеет гораздо более высокие значения. Последнее свя­ зано с высокой концентрацией упругих напряжений при ско­ плении дислокаций у препятствий, в частности границ зерен (напряжение у головной дислокации скопления пропорционально числу дислокаций в скоплении). Полагают [32], что для группы дислокаций у препятствия справедлива аналогия со сжатой пру­ жиной, т. е. запасается вся энергия, подведенная извне.

Хотя дислокационные субструктуры многообразны, общей закономерностью является почти линейная зависимость плот­ ности дислокаций от степени пластической деформации [31, 32 и д р .].

Поскольку пластическая деформация металла при комнатных температурах осуществляется путем микросдвигов, теоретически нет оснований предполагать различия в течении локальных про­ цессов при растяжении и сжатии металла.

Как показано экспериментально [33], рельеф, образующийся на деформированной свободной поверхности при осаживании (сжа­ тии) образцов различных металлов имеет те же элементы струк­ туры и характеризуется той же кинетикой развития поверхности, что и при деформации растяжением. Отличие состоит лишь в том, что при одинаковых в среднем числовых характеристиках для сжатия характерны несколько больший (по сравнению с растя­ жением) разброс степени развития микрорельефа на линиях скольжения из-за крайней неравномерности течения металла и чуть менее интенсивное развитие рельефа на границах зерен вследствие более высокой «стесненности» зерен при обжатии.

Это имеет принципиальное значение для построения общей теории механохимических явлений, а также для выяснения ме­ ханизма такого опасного вида коррозионного разрушения метал­ лов, как фреттинг-коррозия, который до настоящего времени еще не получил удовлетворительной интерпретации, и механизма контактной усталости -металлов в присутствии активных сред.

Доказательством принципиальной идентичности структур ме­ талла, полученных сжатием и растяжением, является увеличение объема (дилатация) при сжатии. Так [6], дилатация сжатой до 55% меди составила ДУ/У = 1,5-10-4.

44

СледоваТёЛЬМО, анализ локальных мёханохимических явле­ ний при пластической деформации следует проводить для усло­ вий пластического сдвига.

Как вытекает из линейной теории упругости, в изотропном и однородном теле при любом поле внутренних напряжений сред­ няя дилатация равна нулю. Поэтому даже в случае краевой дис­ локации приближение линейной теории упругости не показы­ вает увеличения объема в среднем по кристаллу. Вблизи -дисло­ каций деформация столь велика, что линейная теория упругости неприменима и следует учитывать нелинейное расширение.

Анализ ангармонического расширения [34] показывает, что чисто гидростатическое давление и напряжения любого вида (в том числе касательные) вызывают дилатацию, пропорциональ­ ную запасенной энергии. Следовательно, в случае и краевых, и винтовых дислокаций дилатация, обусловленная ангармони­

АУ «=* зЪ3/2 на отрезке длиной Ъ (вектор Бюргерса) вдоль дисло­

каций, хорошо согласующуюся с экспериментальными данными измерения дилатации в сильно деформированных металлах [6]. Хотя средняя по кристаллу величина дилатации невелика, локаль­

перераспределения электронов проводимости, обусловленного из­ менением гидростатического давления в окрестности дислока­ ции [5]. Локальное возмущение самосогласованного поля сво­ бодных электронов, вызываемое появлением потенциала деформа­ ции с нарушением локальной электронейтральности, должно оказать влияние на "различные физические процессы в криссталле [5]. В случае же винтовой дислокации гидростатическое дав­ ление связано только с ангармоническим расширением и мало [6].

Вместе с тем пропорциональность напряжения в головной части дислокационного скопления перед препятствием числу дислокаций в скоплении имеет место как для краевых, так и для винтовых дислокаций. Это было ранее установлено именно для нагромождений вийтовых дислокаций, хотя наизбежна частич­ ная релаксация напряжений в результате перекрывания сило­ вых полей винтовых дислокаций при их близком расположении в скоплении и, кроме того, возможна аннигиляция винтовых участков соседних линий путем скольжения.

Как отмечается [36], выходу краевых дислокаций на поверх­ ность препятствует сопротивление, связанное с работой образо­ вания новой поверхности на ступеньке скольжения. В то же время винтовые дислокации могут без сопротивления выходить на поверхность. Этим обусловлено резкое различие в энергети­ ческом состоянии разряжающихся на поверхности краевых и винтовых дислокаций.

45