ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Особенности пластического течения приповерхностных слоев металлических материалов из "Усталость металлических материалов " В настоящее время хорошо известно, что усталостные трещины в основном зарождаются в приповерхностных слоях металла и что структурное состояние этих слоев очень сильно влияет на уровень предела вьшосливости. В третьей главе были представлены некоторые экспериментальные данные о преимущественном пластическом течении приповерхностных слоев металлических материалов на всех стадиях усталостного процесса. Однако следует более детально остановиться на особенностях поведения приповерхностных слоев металлов при деформации, так как этот вопрос имеет важное теоретическое и практическое значение. От этих особенностей в значительной мере зависит критическое напряжение зарождения усталостной трещины и уровень циклической прочности. [c.167] В ряде работ [55, 56] показано, что микропластическое течение (микротекучесть) монокристаллических и поликристаллических металлов начинается на самых ранних стадиях деформирования и охватывает первоначально тонкий поверхностный слой материала глубиной несколько микрон или порядка размера зерна. Перечислим факторы, способствующие более раннему пластическому течению тонких поверхностных слоев металлов. [c.168] Более раннее развитие пластической деформации в поверхностных слоях по сравнению с внутренним объемом материала должно существенно влиять на характеристики вязкого и хрупкого разрушения [60-62]. [c.168] Проблеме, связанной с изучением поведения приповерхностных слоев металлических материалов и методам их упрочнения и модификации уделяется в настоящее время большое внимание. Ниже будут рассмотрены некоторые особенности пластического поведения приповерхностных слоев металла в условиях статического и циклического деформирования с тем, чтобы оценить их возможное влияние на общие закономерности эволюции накопления повреждений и особенности поведения металлов и сплавов при деформировании. Наиболее эффектно эти особенности проявляются в ОЦК-металлах и сплавах, хотя многие закономерности пластического течения поверхностных слоев металлических материалов не зависят от типа кристаллической решетки. [c.169] Все эти предпосылки показывают, что для анализа природы физического предела выносливости, который особенно характерен для ОЦК-металлов и сплавов, необходимо, в первую очередь, рассмотреть основные представления о природе физического предела текучести с учетом особенностей течения приповерхностных слоев металла. В теории пластичности и прочности вопрос о природе физического предела текучести носит принципиальный и фундаментальный характер, и в настоящее время он еще не достаточно изучен [67, 68 и др.], поэтому мы лишь кратко остановимся на его предыстории. [c.170] Принимая во внимание эти замечания, есть смысл вернуться вновь к анализу причин возникновения физического предела текучести в ОЦК-металлах и сплавах с учетом поведения границ зерен, более ранней активации дислокационных источников в приповерхностных слоях металла и протекания процессов динамического деформационного старения. [c.171] Из анализа работ по исследованию микротекучести видно, что наибольшее различие в пластическом течении приповерхностных и внутренних слоев наблюдается в ОЦК-металлах и сплавах [9, 10]. В.Ф. Терентьевым [11, 12] была предложена феноменологическая модель, объясняющая появление физического предела текучести и физического предела вьшосливости за счет формирования в материале более прочного приповерхностного слоя на стадии микротекучести. [c.172] Суть предложенной феноменологической модели площадки текучести и физического Предела вьшосливости заключается в том, что в ОЦК-металлах и сплавах на стадии микротекучести с определенного порогового напряжения за счет более раннего и преимущественного течения приповерхностных слоев металла возникает барьерный эффект, приводящий к более интенсивному упрочнению материала в приповерхностных слоях на этой стадии и формированию площадки текучести (зуба текучести) и физического предела вьшосливости. [c.172] Возникновение барьерного эффекта возможно при условии, когда более раннее и преимущественное течение приповерхностного слоя на этой стадии деформирования создает более прочный приповерхностный слой глубиной порядка размера зерна к моменту достижения макроскопического предела текучести. Созданию такого более прочного приповерхностного слоя у ОЦК-металлов и сплавов способствуют особенности пластического течения этого класса материалов (большое число плоскостей скольжения, легкость поперечного скольжения, склонность к динамическому деформационному старению и чувствительность к примесям внедрения). Рассмотрим основные представления этой модели для случая статического деформирования с учетом последних экспериментальных и теоретических разработок. [c.172] В условиях статического растяжения ОЦК-металлов, имеющих физический предел текучести, стадия микротекучести простирается от нуля до напряжения, соответствующего напряжению верхнего (или нижнего) предела текучести. На основании анализа литературных данных [51, 80, 81] и проведенных нами экспериментов [52, 82, 83] на этой стадии можно выделить три участка (рис. 5.9). [c.172] Напряжение сильно зависит от температуры испытания, примесей и выделений. Есть основания полагать, что в углеродистых сталях достижение напряжения Од связано с таким состоянием, при котором приповерхностные слои металла глубиной порядка размера зерна претерпели более значительную микро-пластическую деформацию, чем внутренние объемы металла, и в них уже, возможно, наблюдается процесс размножения дислокаций. Причем, судя по рентгеновским данным [51], этот процесс пластической деформации приповерхностных зерен протекает практически мгновенно при достижении порогового напряжения Од, предположительно, за счет прохождения фронта Людер-са-Чернова в приповерхностных зернах (см. рис. 5.8). [c.173] Прохождение этого участка кривой деформации часто связано с заметной макроскопической деформацией и нелинейной зависимостью между напряжением и деформацией (рис. 5.9). Так для сталей СтЗсп5 и ВСтЗГсп5, имеющих нижний предел текучести 292 и 262 МПа соответственно, отклонение от линейной зависимости Гука наблюдается при напряжениях 139 и 187 МПа соответственно [92]. Заметная разница между и началом площадки текучести наблюдается в стальном прокате, макроне-однородном по сечению, с поверхностью более прочной, чем сердцевина [93]. [c.176] Согласно развиваемым представлениям [11, 12], именно на этом участке кривой статического деформирования (начиная с напряжения а ) приповерхностный слой глубиной порядка размера зерна из слоя ослабленного (т.е. слоя, для течения которого требуется меньшее напряжение) становится слоем упрочняющим в том смысле, что повышенная плотность дислокаций (в особенности в области границ зерен) деформированного приповерхностного слоя препятствует свободному выходу дислокации из глубинных слоев металла. Таким образом, начиная с напряжения Од вплоть до достижения физического предела текучести, формируется более прочный приповерхностный слой, препятствующий началу макроскопической деформации всего сечения материала. [c.176] Барьерный эффект приповерхностного слоя должен проявляться лишь в определенном диапазоне скоростей деформирования и при конкретном соотношении прочности приповерхностного слоя и внутренних объемов металла, поскольку он является динамическим эффектом и связан с кинетикой протекания пластической деформации по сечению образца. При малых скоростях деформирования отсутствует столь резкое запаздывание течения внутренних слоев металла по сравнению с его приповерхностными слоями, и в результате чего не возникает условий для проявления барьерного эффекта. Известно, что у низкоуглеродистых сталей при малых скоростях деформирования отсутствует площадка текучести. Рассмотренный эффект проявления физического предела текучести связан также с масштабным фактором и, следовательно, с глубиной более прочного приповерх- ностного слоя. В наших работах [94, 95] было показано, что существует критическая глубина упрочненного приповерхностного слоя, начиная с которой на диаграммах растяжения отсутствует физический предел текучести. [c.177] Какие же экспериментальные данные, на наш взгляд, подтверждают эту феноменологическую модель, объясняющую природу физического предела текучести с позиции барьерного эффекта более прочного приповерхностного слоя, формирующегося при деформировании на стадии микротекучести Остановимся на этом вопросе более детально. [c.177] Обращает на себя внимание тот факт, что в двух случаях при содержании углерода 0,8% и в случае чистого железа - площадка текучести отсутствует и при этом не наблюдается различия ме жду макроскопическим и поверхностным пределом текучести. Во всем остальном интервале углеродистых сталей (от О до 0,8% С), в котором макроскопическому пределу текучести предшествует пластическое течение приповерхностного слоя, на диаграмме статического растяжения в отожженных углеродистых сталях наблюдается площадка текучести. В работах [52,83] на образцах из стали 45 было также обнаружено возникновение остаточных напряжений сжатия на стадии микротекучести и резкое их возрастание после достижения уровня напряжения, близкого к (Уд (рис. 5.13). [c.178] В наших исследованиях было показано, что поверхностное легирование (глубиной 5 мкм) молибден-рениевым сплавом МР47-ВП рекристаллизованной при 1200 °С поликристалличе-ской проволоки (диаметр 0,8 мм) из молибдена марки МЧ приводит к появлению на диаграмме статического растяжения физического предела текучести, а пластичность возрастает на порядок (рис. 5.17). [c.183] Предлагаемая феноменологическая модель физического предела текучести [11], основанная на барьерном эффекте более прочного приповерхностного слоя предполагает, что этот барьерный эффект должен проявляться при определенных температурно-силовых режимах нагружения, геометрических соотношениях размеров рабочей части образца и приповерхностного слоя (размера зерна), прочности (или барьерного эффекта границ зерна) приповерхностного слоя и внутренних объемов металла. С этих позиций понятен интерес к тем многочисленным экспериментам, в которых резкий предел текучести появлялся не в начале макроскопической текучести, а после некоторой предварительной деформации и промежуточной разгрузки. Дело в том, что большинство исследователей сходятся во мнении, что различие в поведении приповерхностного слоя и внутренних объемов металла сохраняется и при больших степенях деформации [110]. [c.185] Вернуться к основной статье