ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Феноменологическая модель барьерного эффекта приповерхностного слоя на ранних стадиях пластической деформаРоль приповерхностных слоев металла в формировании физического предела выносливости из "Усталость металлических материалов " В настоящее время хорошо известно, что в подавляющем числе случаев зарождение усталостных трещин начинается в поверхностных или приповерхностных слоях металла. Поэтому очень важно знать закономерности пластического поведения приповерхностных слоев металла в условиях циклического деформирования. Особенности поведения приповерхностных слоев металла при усталости и их влияние на циклическую прочность рассмотрены в ряде работ [9, 10, 12, 39, 48, 49, 118-124]. Предложены различные специальные механизмы генерации дислокаций в приповерхностных слоях металла в условиях циклического деформирования, В частности, В.П. Алехин [48] предложил диффузионно-дислокационный механизм микродеформации, сущность которого заключается в том, что в поле приложенных внешних напряжений изменяется химический потенциал точечных дефектов и в материале возникают соответственно направленные диффузионные потоки, В приповерхностных слоях и, в особенности, в условиях циклического нагружения указанные процессы протекают более интенсивно, вследствие того что свободная поверхность является областью облегченного зарождения и стока точечных дефектов. Следует отметить, что вопрос о механизмах действия дислокационных источников в условиях циклического деформирования требует дальнейших теоретических разработок и проведения специальных экспериментов. [c.186] Проведенный анализ показал [12], что физический предел выносливости у углеродистых сталей наблюдается лишь в том случае, если в них достижению макроскопического (физического) предела текучести предшествует микропластическая деформация (стадия микротекучести) приповерхностного слоя глубиной порядка размера зерна. На стадии микротекучести может наблюдаться и микропластическая деформация всего объема материала, но она на порядок меньше, чем деформация приповерхностного слоя. В результате этой преимущ,ественной микропластической деформации на пределе вьшосливости в ОЦК-ме-таллах и сплавах формируется более прочный приповерхностный слой, который является барьером для выхода дислокаций на поверхность. Тем самым тормозится развитие процессов сдвигооб-разования и повреждаемости. Особенности пластической деформации ОЦК-металлов (например, большое число систем скольжения, облегченность поперечного скольжения и др.) и склонность к динамическому деформационному старению способствуют созданию такого более прочного приповерхностного слоя. Таким образом, формируется физический предел вьшосливости. [c.187] Во-первых, в условиях циклического деформирования при напряжениях, близких к пределу выносливости, существуют два этапа формирования более прочного приповерхностного слоя первый этап протекает так же, как и при статическом деформировании, когда на стадии циклической микротекучести наблюдается преимущественное течение этого слоя второй этап связан с общим пластическим течением металла и протекает вплоть до базового числа циклов нагружения причем сохраняется большая интенсивность пластической деформации данного слоя и его барьерный эффект, даже при возникновении в нем повреждаемости (микротрещин). [c.187] ЛОВ нагружения развивается дислокационная ячеистая субструктура, а в приповерхностном слое глубиной порядка размера зерна, наряду с ячеистой и полосовой структурами, имеются усталостные полосы скольжения с системой нераспространяющихся субмикро- и микротрещин. Эти микротрещины заторможены границами зерен и релаксационными процессами в зоне пластической деформации в области их вершин. Вне усталостных зон макроскопической деформации приповерхностный слой более прочен за счет протекания процессов микротекучести в ослабленных поверхностных зернах и деформационного старения. В этом случае в поверхностном слое микротрещины отсутствуют. [c.188] В-третьих, в процессе циклического деформирования существуют более благоприятные возможности (за счет длительности нагружения) для протекания процессов деформационного старения (статического и динамического) и формирования атмосфер Сноека [15, 64, 125,126, 128]. [c.188] В-четвертых, при больших базах испытания ( Ю -Ю циклов) и соответственно низких циклических напряжениях зарождение усталостных трещин происходит под поверхностным слоем [120], что нами было предсказано в работе [12]. [c.188] Большинство исследователей считают, что причиной упрочняющего влияния твердой пленки может быть либо закрепление поверхностных источников дислокаций, либо наличие барьерного эффекта вследствие различия упругих постоянных пленки и подложки [132]. [c.189] Можно утверждать, что в рассматриваемом нами случае наблюдаемый барьерный эффект приповерхностного слоя глубиной порядка размера зерна связан с затруднительностью выхода дислокаций и эстафетной передачей деформации из внутренних объемов металла. Дислокации задерживаются как поверхностной сеткой дислокаций, так и границами зерен приповерхностного слоя, наиболее упрочненными на стадии микротекучести. Если на пределе вьшосливости имеются микротрещины, то зоны пластической деформации у вершин таких трещин являются барьером для движения дислокации. [c.190] Таким образом, в случае циклического деформирования на поведение ОЦК-металлов и сплавов на пределе выносливости оказывает влияние изменение механических свойств приповерхностного слоя (за счет опережающего повышения плотности дислокаций в этом слое и процессов динамического деформационного старения), барьерный эффект этого слоя (за счет препятствия выхода дислокаций на поверхность) и формирование зон повреждений (пластических зон у вершин нераспространяющихся микротрещин - механизм Джонстона и Блока [129]). [c.190] В работе [143] поверхностное легирование использовали для повышения статической и циклической прочности промышленного поликристаллического молибдена марки МЧ (плоские образцы толпщной 1 мм). На образцы молибдена (состояние поставки) на установке ВЭУ-120 (мош,ность 5 Квт) методом электронно-лучевого напыления наносили слой рения или никеля. После напыления рения проводили диффузионный отжиг в вакууме при температуре 1400 °С в течение 10 ч. В этом случае был получен композиционный материал с приповерхностным слоем переменного состава Re-Mo глубиной 8-10 мкм. Никель напылялся на рекристаллизованные образцы, а после напыления образцы отжигались в вакууме (900 С, 10 ч). Глубина диффузионного слоя в этом случае составляла 4 мкм. На рис. 5.21 представлены кривые статического растяжения и усталости образцов из молибдена в исходном состоянии и после поверхностного легирования. Некоторое улучшение пластичности при статических испытаниях на растяжение и повышение уровня предела выносливости в случае покрытия никелем, по-видимому, связано с большей пластичностью никеля по сравнению с молибденом, что приводит к пластифицирующему эффекту. Диффундируя в объем металла и располагаясь преимущественно вдоль границ зерен, никель участвует в образовании межзеренных прослоек, являющихся раствором молибдена в никеле. Эти прослойки оказывают упрочняющее влияние на границы зерен молибдена. [c.191] Такое резкое улучшение механических свойств молибдена поверхностнолегированного рением, связано с так называемым, рениевым эффектом , который еще до конца не объяснен. Рений в молибдене не только повышает пластичность, но и увеличивает прочностные характеристики. Легирование рением приводит к искажению стабильности ОЦК-решетки, к уменьшению сил Пайерлса-Набарро и облегчению двойникования. Кроме того, рений в молибдене способствует резкому уменьшению концентрации неметаллических примесей по границам зерен и одновременно повышению их растворимости в насыщенном твердом растворе Mo-Re, поэтому в процессе циклического деформирования в приповерхностном слое существенно меняется механизм зарождения усталостных трещин от межзеренного в случае молибдена к сдвиговому кристаллографическому [143]. [c.192] МОСТИ от асимметрии цикла максимальная циклическая прочность наблюдается у образцов покрытых nos технологии PVD (рис. 5.23). Покрытие, полученное химическим методом, при коэффициенте асимметрии цикла R = О снижает циклическую прочность по сравнению с непокрытыми образцами и никак не влияет на предел выносливости при R = l. [c.193] В работе [144] исследовалось влияние одно- и многослойных пленок TIN (толщиной 3-9 мкм), нанесенных методом осаждения в вакууме (метод PVD) на статическую и циклическую прочность образцов из среднеуглеродистой стали AISI1045 (0,45% С) с диаметром рабочей части 6 мм. Было установлено, что поверхностные пленки TIN подобной толщины не влияют на модуль упругости, предел текучести и предел прочности, но уменьшают пластические свойства. Покрытия повышают усталостную прочность стали в области многоцикловой усталости, при этом однослойные покрытия оказывают более благоприятное воздействие, чем многослойные. Монослой TiN толщиной 3 мкм повышает предел вьшосливости на 40 МПа, Авторы объясняют этот эффект тем, что с покрытием требуется большее напряжение для зарождения усталостной трещины на пределе вьшосливости [144]. [c.193] НОСТНОГО слоя приводит к снижению циклической прочности (см. рис. 5.28) [147]. [c.196] Выше были рассмотрены основные положения предлагаемой гипотезы [11, 12], объясняющей природу площадки текучести и физического предела выносливости и ряда других эффектов проявлением барьерного эффекта приповерхностного слоя, формирующегося непосредственно в процессе пластической деформации ОЦК-металлов и сплавов. Следует отметить. [c.197] ЧТО рассмотренные выше феномены в ряде случаев проявляются также у металлов и сплавов с другими кристаллическими решетками. Вполне вероятно, как отмечал К. Крюссар [77], что существует несколько механизмов, ответственных за формирование физического предела текучести и физического предела выносливости. Особенности пластической деформации ОЦК-металлов и сплавов способствуют тому, что приповерхностный слой материала играет важную роль в проявлении таких эффектов, как площадка текучести и физический предел вьшосливости. [c.198] Вернуться к основной статье