ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Влияние остаточных напряжений на деформирование поликристалСледствия, вытекающие из наблюдений за границами зерен после деформации из "Жесткость и прочность стальных деталей " Рассмотрим сначала границы зерен, представляющих собой однотипные кристаллы. Учитывая характер строения кристаллической решетки материала, можно предположить, что особенности границ между такими зернами определяются условиями образования поликристаллической структуры при затвердевании расплавленного металла. [c.175] В первой стадии роста кристаллов из центров кристаллизации каждый кристалл быстро увеличивается, сохраняя свое естественное строение. На этой стадии температура расплавленного металла обычно бывает ниже температуры самого кристалла. После соприкосновения смежных кристаллов в промежутки между кристаллами, по-видимому, проникает недостаточное количество расплавленного металла, в результате чего границы кристаллов содержат меньшее количество атомов. Кроме того, в граничные области оттесняются чужеродные атомы примесей. Все это приводит к тому, что структура границ менее упорядочена. [c.175] Нарушению правильного расположения атомов на границах зерен способствует произвольная ориентировка кристаллографических плоскостей смежных кристаллов. Первоначальные границы зерен в технических металлах часто в дальнейшем изменяются в результате процесса рекристаллизации, механических воздействий при изготовлении деталей и постепенной концентрации чужеродных атомов на границах зерен. Структура металла на границах зерен определяется особенностями образования зерен и, в свою очередь, влияет на механические свойства металла. [c.175] С другой стороны, изучение следов скольжения указывает на продвижение атомов одного зерна сквозь границу зерен в тело другого зерна — в первоначальнолт направлении активных плоскостей скольжения. С повышением температуры возникает интенсивное перемещение атомов в процессе диффузии у границ зерен. В условиях деформации при высоких температурах здесь возникает интенсивная местная ползучесть при еще более высоких температурах здесь начинается плавление металла. Так как средний уровень потенциальной энергии по границам зерен выше, чем внутри зерна, то создаются благоприятные условия для перегруппировки атомов, что и является причиной усиленного протекания перечисленных выше процессов. Рекристаллизация металла также начинается на границах зерен. [c.176] В некоторых случаях металл в отдельных областях на границах зерен обнаруживает свойства переохлажденной жидкости. При очень высоких температурах порядка 1000 С пластическая деформация мягкой стали происходит не в результате скольжения внутри зерен, а в результате неупорядоченного движения зерен вдоль их границ. В настоящее время этот процесс изучается в свете теории дислокаций. Так как при нормальных температурах на границах зерен не может иметь места значительная пластическая деформация, то в этих зонах не наблюдается также и упрочнение. [c.176] Из предыдущего анализа следует, что в зернах феррита первоначальные микротрещины сконцентрированы в основном у границ зерен. Фрактографические исследования показывают, что в определенном интервале температур, называемом зоной экви-когезионной температуры, наблюдается переход от транскристаллического излома к интеркристаллическому. У технических металлов зона эквикогезионной температуры обычно простирается от 0,35 до 0,45 абсолютной температуры плавления [130]. Следует заметить, что эквикогезионная температура зависит также от условий нагружения материала. [c.176] Более подробные исследования процесса деформации в области границ зерен, в частности, при температуре, близкой к эквикогезионной, показали, что границы зерен можно считать типичным аморфным материалом, не имеющим упорядоченного расположения атомов и выполняющим роль заполнителя между зернами, обладающими правильной кристаллической решеткой. [c.176] Карпентер и Элан [131] показали, что в феррите и других металлах местная пластическая деформация начинается внутри зерен на небольшом расстоянии от границ зерен. Это обстоятельство связано с распределением касательного напряжения по плоскости скольжения, ограниченной сравнительно жестким краями (рис. 136), в зоне которых наблюдается повышенная плотность дислокаций. [c.177] Путем экспериментального исследования Астон установил, что в области границ возлюжно некоторое перемещение зерен без заметных деформаций узкой зоны металла на границе зерен. Это можно объяснить только совершенно беспорядочным распо-ложение.м атомов в узких прослойках между лшогочисленными зонами с менее правильным строением кристаллической решетки, расположенны.ми вдоль границ зерен, возникающими из вторичных центров кристаллизации при затвердевании металла. [c.177] Чалмерс [132] исследовал образцы, состоящие из двух кристаллов, с целью изучения влияния границ зерен на особенности деформации поликристаллических образцов из технических металлов. Исследования проводились, например, на цилиндрических образцах из чистого олова, состоящих из двух кристаллов. Граница мелсду двумя зернами образца сначала располагалась вдоль продольной оси образца, выполненного в виде стержня, испытываемого при одноосном растяжении. Испытывались образцы с различной величиной угла между кристаллографическими плоскостями на границе раздела обоих зерен. Напряжение, вызывающее некотору о малую пластическую деформацию, возрастало приблизительно по линейному закону при увеличении угла между кристаллографическими плоскостями кристаллов. Напряжение для нулевого угла между плоскостял1И, най.денное путем экстраполяции, приблизительно совпадает со значением напряжения, найденным для монокристалла олова. При угле между кристаллографическими плоскостями, равном 90°, сопротивление образца пластической деформации повышалось приблизительно на 60%. [c.177] На основании проведенных испытаний мо.жно сделать важный вывод о том, что границы зерен образуют сетку, выравнивающую распределение деформаций между зернами поликристаллической структуры, в результате чего решающую роль в определении деформации играют граничные условия тела в целом, т. е. форма тела и распределение нагрузок. Различия в деформации отдельных зерен, характеризуемые разными направлениями и плоскостями скольжений, не оказывают заметного влияния на макродеформации тела. [c.179] Естественно, эти выводы справедливы только при достаточно больших пластических деформациях тел — порядка нескольких процентов, при которых может проявиться уравнивающее влияние границ зерен. Это словие выполняется в том случае, когда предельное состояние неустойчивости пластической деформации достигается при постоянном увеличении нагрузки. С другой стороны, при динамических нагрузках, когда происходит развитие дефекта в наиболее нагруженном зерне, а более удаленные зерна находятся в упругом состоянии, условия пластической деформации оказываются совершенно други.ми, и наличие границ зерен оказывает противоположное влияние. В этом случае усталостные трещины очень часто начинаются в точках местной концентрации напряжений на границе наиболее нагруженного зерна [134]. [c.179] В описанных экспериментах было установлено, что ширина зоны границы зерен очень мала с точки зрения распределения деформаций. Важно отметить также, что границы зерен могут произвольным образом искривляться в соответствии с развитием скольжений внутри зерна. Это свойство связано с неоднородностью структуры металла на границах зерен. Как указывалось выше, эти границы состоят из зон произвольно расположенных атомов, чередующихся с зонами более упорядоченной структуры. Ширина границы зерен достаточна для возможности скольжения блоков кристаллической решетки зерен на расстояние порядка многих межатомных расстояний. При таких скольжениях блоки проникают в зону границы зерен. [c.179] Природу границ зерен и роль их в процессе развития пластической деформации помогают изучить также испытания стали на ползучесть при высокой температуре. Установлено, что при высоких телшературах границы зерен обнаруживают податливость, делающую возможным перемещ,ение зерен в целом. Металлографические исследования полированной и протравленной поверхности образцов показывают, что линии, проходящие через группу зерен, после испытания на ползучесть остаются прямыми в пределах зерен, но оказываются смещенными по границам зерен 135]. Перемещение зерен, особенно при высоких температурах, сопровождается постепенным накоплением всякого рода дефектов на границах зерен, где начинаются разрушения путем отрыва. В точках контакта трех зерен развиваются V-образные трещины вдоль неровной поверхности зерен образуются пустоты (трещины типа г). [c.180] Так как указанные явления носят узко локальный характер, то микротрещины, с точки зрения фрактографии, являются хрупкими разрушениями путем отрыва. В связи с тем, что при деформации образцов в условиях высокой температуры происходит перемещение целых зерен, размер зерна оказывает некоторое влияние на величину предельной деформации. [c.180] Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что границы зерен представляют сложную переходную структуру между кристаллическими решетками смежных зерен. При разнородных зернах (например, феррит и цементит) строение границ зерен может быть неупорядоченным. С точки зрения распределения деформаций границы зерен играют роль внутренних концентраторов напряжения. [c.180] Ранее (см. стр. 14—19), при обсуждении вопроса о характере излома металла, было показано, что в системе из разнородных структурных составляющих разрушение путем отрыва развивается на границе раздела между структурными составляющими. Так, например, в пластинчатом перлите наиболее слабой зоной является поверхность контакта люжду слоями феррита и цементита, так как здесь имеет место наиболее значительная концентрация напряжений. Это следует из теории распределения деформаций в неоднородной системе, состоящей из слоев составляющих, обладающих различным сопротивление.м деформации. Феррит обладает малым сопротивлением пластической деформации, тогда как пластинки цементита тверды и хрупки. [c.180] Пример развития разрушения путем отрыва в материале с явно выраженной периодической неоднородностью показан на рис. 138. [c.181] Следует заметить, что упрочнение в результате пластической деформации препятствует развитию излома в направлении, перпендикулярном активным плоскостям скольжения, но способствует росту лшкротрещин в направлении плоскостей скольжения у краев этих плоскостей, расположенных у границ зерен или хрупких структурных составляющих. [c.181] Не исключена также возможность развития разрушения в пластичных материалах, начиная от очагов другого характера, например, произвольным образом ориентированных поверхностных микротрещин. Однако коэффициент концентрации напряжений во всех случаях должен достигать значения, приведенного в предыдущем расчете, или превышать это значение. [c.181] Вернуться к основной статье