ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Особенности микропластического течения в приповерхностных слоях материалов из "Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов " Роль поверхности в процессе пластической деформации материалов уже давно привлекает внимание многих исследователей. К наиболее ранним систематическим исследованиям в этой области относятся прежде всего работы А.Ф. Иоффе [1,2] и П.А. Ребиндера [3, 4]. Несколько позднее, в 30-40-х годах А.В, Степанов исследовал кинетику пластического течения на начальной стадии деформирования и природу поверхностных источников сдвигосбразоватая [5, 7]. Бьшо установлено, что начальные акты пластического 1е ени55, как правило, связаны с поверхностными слоями кристалла. [c.10] ЛОВ ниже температурного порога пластичности [98-109] и в ряде других исследований [НО-134]. Это явление аномального пластического течения вблизи поверхности кристал 10в нашло также отражение в дискуссидх о на личии или отсутствии приповерхностного градиента плотности дислокаций [135-158] и в ряде других исследований по особенностям генерирования дислокаций позсрхностными источниками [159—163]. [c.11] Смирнов с сотрудниками [35-37] обнаружили, что при снятии слоя с поверхности кристаллов LiF, деформированных при 20 и -196°С, наблюдается эффект понижения плотности дислокаций (рис. 1, д). При этом в процессе удаления поверхностного слоя плотность дислокаций сначала резко падает примерно на 30%, а затем остается практически неизменной. Сравнение кривых сжатия обычных деформированных образцов и тех, у которых полировкой были сняты слои толщиной 7 и 14 мкм, показало, что значения напряжений, при которых начинается заметное пластическое течение образца, снижаются, а выход на участок линейного упрочнешя в этом случае происходит при более высокой деформации, чем у неполированных образцов (рис. 1, б). [c.12] Анализ литературных данных показывает, что исследования почти всех эффектов, связанных с поверхностью, как правило, носят больше качественный, чем количественный характер. Первой попыткой получения раздельной количественной информации по характеристикам пластического течения поверхностных и внутренних слоев материала явились работы Крамера, который исследовал влияние поверхностной микропластической деформации на процессы деформационного упрочнения ряда ГЦК [136-142], ОЦК [112, 113] и Г11У [138] кристаллов. Так, при деформировании А1, Си, Ли, Zn, Fe, Mo и ряда других материалов (как моно-, так и поли-кристаллических) путем непрерывного удаления поверхностного слоя с образца во время процесса его деформации Крамер [138-141] обнаружил увеличение протяженности и уменьшение наклона I и И стадий деформационного упрочнения (рис. 3). Прекращение удаления поверхностного слоя при деформации вновь увеличивало коэффициент деформационного упрочнения до того же значения, как при деформировании без его удаления. [c.13] Для объяснения наблюдаемых поверхностных эффектов Крамер выдвинул предположение о том, что в поверхностной области образуется слой с повышенной плотностью дислокаций (debris-слой), который действует как барьер, задерживая дислокации, генерированные в процессе деформации внутренними источниками. [c.13] В работе [139] показано, что активационный объем также является функцией Tj, т.е. [c.14] В работе [11] было установлено, что при удалении электрополировкой поверхностного слоя предварительно деформированных образцов монокристаллического А1 напряжение течения уменьшается при повторном нагружении во всех стадиях деформирования. Причем слой, ответственный за максимальную величину снижения деформирующего напряжения для 3%-ной деформации монокристаплов AJ составляет 150-200 мкм, т.е. того же порядка, что и в работах Крамера [139]. Качественно аналогичные данные были получены и в ряде других исследований. Так, Накаяма [17], используя эффект поглощения рентгеновских лучей на образцах из монокристаллического А1 до и после снятия полировкой слоя определенной толщины, также обнаружил более деформированный поверхностный слой, толщина которого на начальной стадии деформации составляла величину около 30 мкм и постепенно возрастала с увеличением степени деформации. Аналогичные данные были получены в работах [8, 11, 14, 30,41, 42, 58—60, 106-112, 124], где бьшо показано, что поверхностные слои материала имеют значительно меньший предел текучести, чем его внутренние объемные слои. [c.15] Шабалин [49], непосредственно измеряя величину деформации поверхностных и внутренних слоев образца из армко-железа, также нашел весьма существенное расхождение этих величин. Так, при деформировании на площадке текучести величина линейной деформации поверхностного слоя составила 2,52%, в то время как объемные слои кристалла были проде-формированы всего лишь на 0,84%. [c.15] В работе [20] приводятся результаты исследования рентгеновским методом остаточных напряжений по сечению стальных образцов (0,85% С) (рис. 7). Показано, что действующие напряжения на поверхности образца после прохождения площадки текучести всегда меньше, чем среднее напряжение всего образца, и с увеличешем степени деформации увеличивается уровень остаточных напряжений в поверхностном слое. Аналогичные данные получены в работе [21] при деформировании технического железа с размером зерна 0,1-0,2 мм. После деформации на 11% в поверхностном слое глубиной 0,2 мм уровень остаточных напряжений сжатия превышает остаточные напряжения внутри образца. [c.16] В работах B. . Ивановой, В.Ф. Терентьева и др. [54, 55, 64-168] при деформировании поликристаллического Мо и Fe было показано, что физический предел текучести, площадка текучести, а также эффект Баушингера обусловлены наличием более прочного поверхностного слоя толщиной по- рядка размера зерна, который возникает за счет микротекучести на начальной стадии деформирования, а также протекания процессов динамического деформационного старения. Аналогичные данные были получены в работах [61, 169, 170] при исследовании закономерностей усталостного разрушения. [c.16] Фабиняк и Кульман-Вильсдорф [157] нашли, что предел текучести oдг o-кратно деформированных монокристаллов AI почти одинаков с пределом текучести того же повторно деформированного кристалла после удаления электрополировкой определенного поверхностного слоя. Они предполагают, что поверхность действует и как источник дислокаций, и как барьер для движущихся дислокаций. [c.17] Бэсси и Хьюго [43] на )3-латуни показали, что деформация на начальной стадии в основном ограничена в поверхностном слое. [c.18] В ряде экспериментальных исследований по изучению процесса рекристаллизации на монокристаллах А1 [46-48] и Ап [47,48] также была подтверждена преимущественная деформация поверхностных слоев кристалла после пластического деформирования. В частности, в работах [47,48] показано, что если с предварительно деформированных монокристаллов А1 удалить электролитической полировкой поверхностный слой определенной толщины, то количество центров рекристаллизации при последующем отжиге резко уменьшается, а при глубине снятого слоя около 40 мкм рекристаллизация вообще отсутствует. [c.18] В работе [143] образование упрочненного поверхностного слоя объясняется взаимодействием движущихся к поверхности дислокаций со ступеньками скольжения, которые под нагрузкой действуют как концентраторы напряжений с областью напряжений ближнего порядка. Взаимодейстаие приближающихся к поверхности дислокаций с такими локальными очагами высоких напряжений может создавать соответствующий барьерный эффект, который, в свою очередь, может увеличивать вероятность процесса поперечного скольжения винтовых дислокаций, что также усиливает барьерное действие приповерхностного слоя. Так, в работах [47, 48] образование более прочного поверхностного слоя объясняется именно с позиций протекания преимущественного процесса поперечного скольжения винтовых дислокаций вблизи свободной поверхности и образования ими поверхностных ступенек, ограничивающих дальнейшее движение винтовых дислокаций [171]. [c.19] Таким образом, в настоящее время для объяснения образования барьерного поверхностного слоя предложены различные механизмы. Большое количество рассмотренных экспериментальных работ свидетельствует о том, что при. деформации материалов с различным типом кристаллической решетки на поверхности образуется более прочный слой, чем в объеме материала (см., например, данные, полученные в работах [27-29, 19.3-199)). Тем не менее проведенные к настоящему времени исследования все еще не дают достаточных и однозначных сведений о поведении поверхностных слоев при деформировании. Наряду с вышеупомянутыми работами имеются исследования, где получен или обратный эффект [87-90, 149-151, 153, 154, 172, 173, 176, 191], или не обнаруживается разница в поведении поверхностных и объемных слоев материала [147,148,174, 177—190, 192]. Причем последней точки зрения придерживается подавляющее большинство исследования (здесь даны ссылки лишь на некоторые работы и при желании их список можно увеличить). [c.19] Непосредственным измерением плотности дислокаций вблизи поверхности и в объеме кристаллов Ni [18], LiF [35-37], Si [41,42], Си [.145 146], А1 [193], Fe - 3 мае. % Si [194], Na l и K l [198] было обнаружено, что после деформации в поверхностных слоях плотность дислокации более высокая, чем внутри кристалла. Установлено наличие градиента плотности дислокаций при продвижении послойным стравливанием от поверхности в глубь кристалла. Тем самым подтверждена гипотеза об образовании упрочненного поверхностного слоя при деформировании материалов. [c.20] Однако Блок и Джонсон [148] утверждают, что после деформирования в кристаллах не существует какого-либо градиента плотности дислокаций вблизи поверхности и испытываемый образец деформируется однородно по всему сечению. Они пришли к такому выводу после непосредственного измерения плотности дислокаций по ямкам травления в образцах моно-кристаллической Си, деформированных до 0,2 1,0 2,5%. При продвижении от начальной поверхности в глубину кристалла Си на расстояние больше 500 мкм не было обнаружено изменения в плотности дислокаций. К такому же мнению пришел Сван [141]. Он провел электронно-микроскопические исследования, которые показали, что расположение и плотность дислокаций в приповерхностном слое и во внутренних объемах меди после деформации не отличаются. [c.20] Вернуться к основной статье