Деформация и разрушение металлов.

 Разрушение начинается от какого-либо дефекта, вблизи которого развивается концентрация напряжений, превосходящих  критическое значение для данного металла. Концентрация напряжений К пропорциональна остроте дефекта и его длине: К =2 где l - длина дефекта; r -радиус закругления в его вершине. Концентрации напряжений способствует образование как внутренних, так и наружных де­фектов надрезов различной остроты и длины (рис. 3.4).

У достаточно пластичных металлов, характеризующихся ре­лаксацией напряжений, местной концентрации напряжений вбли­зи несплошностей оказывается недостаточно, и развитие трещин скола не происходит.

Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45° к направлению главных нормальных напряжений.

Большинству реальных материалов одновременно присуще и вяз­кое, и хрупкое разрушение, а разделение на отдельные виды разрушения условно проводится по преобладанию того или иного типа.

При разрушении по хрупкому механизму затрачивается зна­чительно меньшая работа на процесс самого разрушения, чем при вязком. Начавшееся хрупкое разрушение является самопроиз­вольным процессом. Оно происходит за счет высвобождения на­копленной в системе упругой энергии, и поэтому для распростра­нения трещины не требуется подвод энергии извне. При хрупком разрушении затрата энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем освобождающаяся при этом накопленная упругая энергия. При вязком разрушении затрачивается значительно большая ра­бота. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод  энергии, расходуемой на пластическое де­формирование металла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачи­ваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственно разрушения.

При хрупком разрушении магистральная разделяющая тело трещина имеет малый угол раскрытия (острая трещина), вблизи поверхности разрушения имеет место микропласти­ческая деформация. При вязком разрушении трещина име­ет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность раз­рушения характеризуется значительной степенью пластической деформации.

При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, и поэтому у большинства металлов при низ­ких температурах разрушение имеет транскристаллитный харак­тер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При по­вышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах име­ет, как правило, межкристаллитный характер.

Микроизлом при хрупком разрушении имеет блестящую глад­кую поверхность. Плоские грани расколотых кристаллических зе­рен придают металлический блеск хрупкому излому. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает плоскости скола и "ручьистое" строение излома, являющееся следствием взаимо­действия движущейся трещины с дефектами кристалла. Излом при вязком разрушении имеет матовый во­локнистый характер без металлического блеска. Электронно-мик­роскопическое исследование обнаруживает характерное "чашечное" строение излома.

Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость рас­пространения трещины, достигающая приблизительно 0,4 скоро­сти распространения звука в металле, а  скорость рас­пространения хрупкой трещины для стали составляет около 2 • 10³ м/с. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания на­пряжений. С помощью рассмотренных признаков можно определить ха­рактер разрушения детали или конструкции (вязкий или хруп­кий механизм). Необходимость квалификации характера разру­шения в каждом отдельном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципиально раз­личны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, увеличивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение. Разрушение сколом можно разделить на три фазы: зарожде­ние микротрещины, ее подрастание до критического размера и распространение через соседние зерна. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. В относи­тельно чистых металлах - это зарождение и начальное подраста­ние трещины. В металлах, содержащих включения, первые две стадии протекают сравнительно легко, но затем трещина сдержи­вается границами зерен. Трещина в таких металлах растет и за счет поглощения других микротрещин, росту способствует взаимодействие полей напряжения у ее вершины. При критическом размере трещины концентраци­я напряжений в ее устье достигает уровня прочности метал­ла и ее дальнейшее распространение происходит лавинно без заметной пластической деформации и без подвода энергии извне.

Факторы, определяющие характер разрушения

В зависимости от условий деформации один и тот же материал может разрушаться по хрупкому или вязкому механизму. На харак­тер разрушения оказывают влияние внешние и внутренние факторы. К внешним фак­торам относятся температура, тип надреза или концентратора на­пряжений, скорость нагружения, характер окружаю­щей среды, форма и размеры детали. К внутренним факторам, присущим материалу, относятся тип кристаллической решетки, химический состав, структура и размер зерна, зависящие от тех­нологии предшествующей обработки. Влияние температуры на характер разру­шения иллюстрируется схемой, предложенной А. Ф. Иоффе и Н. Н. Давиденковым (рис. 3.5). Согласно этой схеме, смена одного вида разрушения другим определяется соотношени­ем значений предела текучести σ_т и разрушающего напряжения σ . Температурные зависимости σ_т и σ имеют различный ха­рактер, так как в соответствии с этой схемой предел текучести и разрушающее напряжение друг с другом не связаны.

С понижением температуры напряжение трения решетки, а,следовательно, и предел текучести резко возрастают. В первом приближении разрушающее напряжение является температурно независимым. В процессе нагружения при определенной температуре напряжение может достичь раньше величины либо σ_т либо σ .Если раньше будет достигнуто σ_т, то произойдет пластическая деформация, которая при дальнейшем росте напряжений приведет к разрушению. Если раньше будет достигнуто σ , то произойдет хрупкое разрушение. Точка пересечения _т и _отр делит схему Иоффе - Давиденкова на две температурные области: левее этой точки располагается область хрупких разрушений материала ( _отр < _т), правее - об­ласть вязких разрушений ( _отр > _т). Температуру, при которой предел текучести становится равным разрушающему напряже­нию, называют температурой вязко-хрупкого перехода или кри­тической температурой хрупкости и обозначают Т_кр.

Способность материала хрупко разрушаться с понижением температуры называется хладноломкостью. Помимо температу­ры, она зависит от влияния многих факторов. Хладноломкость проявляется при определенных условиях и является не свойст­вом, а состоянием материала. Основной характеристикой хладно­ломкости является критическая температура хрупкости. С помо­щью этой характеристики оценивают и сопротивление хрупкому разрушению материала.

Критическая температура хрупкости не является константой материала и определяется целым рядом факторов.Трещины хладноломкости обычно начинаются от надрезов, являющихся концентраторами напряжений, к ним относятся: дефекты сварных соединений (пористость, непровары, пустоты по сечению шва), поверхностные царапины, неметаллические включения, газовые раковины, а также технологические отвер­стия и резкие переходы сечений в детали. Надрезы создают в ме­талле сложное напряженное состояние, стесненность пластиче­ской деформации и концентрацию напряжений (рис. 3.4). Слож­ное напряженное состояние проявляется в том, что под действием растягивающих сил напряжения возникают не только в продоль­ном, но и в поперечном направлениях. Стесненность пластической деформации приводит к увеличе­нию сопротивления пластической деформации, т. е. к росту  _т. Чем острее и глубже надрез, тем более стеснена пластическая де­формация, тем выше _т. Под влиянием надрезов металл разруша­ется хрупко при более высокой температуре.

Чувствительность к надрезу и трещине относится к числу важнейших харак­теристик работоспособности металла, она растет с повышением прочности металла, с увеличением скорости нагружения и понижением температуры металла.

Окружающая среда может влиять на изменение поверхност­ной энергии разрушения материала и оказывать коррозионное воздействие. Кроме того, в среде, содержащей водород, происхо­дит водородное охрупчивание металлов.

Чем больше сечение образца, тем больше стесненность пла­стической деформации, что приводит к повышению предела текучести и возрастает вероят­ность появления опасных де­фектов. На ослабление сечения с увеличением размера накладывается действие металлургических факторов из-за большего развития ликвации, пористости, различия в размерах зерен, меньшей степени проработки структуры при ковке, прокатке или термической обработке.

Внутренние факторы. Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллической структуры металла. Металлы с кристаллической решеткой объемноцентрированного куба (стали на основе -железа, вольфрам, хром, молибден и др.), а также некоторые металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой (цинк, кадмий, магний) относятся к хладнолом­ким материалам. Чистый титан имеет решетку ГП, но сохраняет пластичность и при низких температурах. Металлы с решеткой гранецентрированного куба (аустенитные стали на основе -железа, медь, алюминий, никель) не склонны к хладноломкости.

Размер зерна металла имеет важное значение для предела те­кучести, сопротивления хрупкому разрушению и для температу­ры вязко-хрупкого перехода. Измельчение зерна существенно по­нижает критическую температуру хрупкости.

Процесс течения металла зависит от среднего расстояния, на которое перемещаются дислокации, прежде чем они будут забло­кированы у границ зерен. У мелкозернистых образцов предел текучести меньше разрушаю­щего напряжения. Чем мельче зерно, тем больше  ==  _oтр -  _т. Если размер зерен больше d_Kp, то для данных условий испытания (температуры, скорости и др.) будет иметь место хрупкое разрушение. Изменением технологии вы­плавки и разливки, пластической деформации и термической об­работки можно влиять на размер зерна и тем самым управлять свойствами металла и его хладостойкостью.

Наклеп и рекристаллизация.

После снятия нагрузки, превышающей предел теку­чести, в образце останется остаточная деформация. При повтор­ном нагружении возрастает предел текучести металла и уменьша­ется его способность к пластической деформации, т. е. происходит упрочнение металла. Упрочнение металла под действием пластиче­ской деформации называется наклепом. Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменении: формы и размеров кристаллитов; их кристаллографической пространственной ориентировки; внутреннего стрения каждого кристаллита. Зерна деформируются и сплющиваются, вытягива­ясь в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 3.6)

Малый размер пачек скольжения создает ровной границы деформированного зерна (на рис 3.6 б показана штриховой линией). Преимущест­венная кристаллографическая ориентировка зерен вдоль направ­ления деформации называется текстурой металла. Чем больше степень деформации (  = ),

тем большая часть зерен получает преиму­щественную ориентировку. Образование текстуры способствует появлению анизотропии свойств вдоль и поперек направления волокон. С ростом степени деформации механические свойства (  _в, _т, НB), характеризующие сопротивление деформации, повышаются, происходит деформационное упрочнение, а способность к пласти­ческой деформации (,Ψ) падает (рис. 3.7). Предел текучести растет более интенсивно, чем временное сопротивление, и по мере деформации значения обеих характеристик сближаются. В результате наклепа механические свойства меняются весьма существенно: например, при степени деформации  = 70 % среднеуглеродистой стали ее временное со­противление _в увеличивается примерно в два раза, а относитель­ное удлинение  уменьшается с 30 до 2 %. Стальная проволока, полученная   холодным волочением при степени 80-90% приобретает значение  _в = 4000МПа, что не достигается легированием и термической обработкой.

Упрочнение при наклепе объясняется существенным повыше­нием плотности дислокаций, характерным для процесса пласти­ческой деформации, достигая величи­ны 10¹¹-10¹² см-², увеличивается и количество точечных несовершенств - ва­кансий и дислоцированных атомов. С ростом плотности дислока­ций и несовершенств кристаллического, деформации зерен и дробления блоков затрудняется свободное перемещение дислокаций, что способствуют упрочнению металла при наклепе.

В результате пластической деформации сущест­венно изменяются физико-механические свойства металлов. На­клепанный металл имеет меньшую плотность, более высокое элек­тросопротивление и коэрцитивную силу, меньшую теплопроводность; у него падает устойчивость против коррозии. Металлы с ГЦК решеткой при накле­пе упрочняются более сильно, чем металлы с ОЦК решеткой.

Рекристаллизационные процессы в металлах и сплавах. Рост числа дефектов кристаллического строения и остаточных напряжений в результате пластической деформации приводит металл в термодинамически неустойчивое состояние. При нагреве такого металла в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации.Деформированный металл анизотропен.

При нагреве до сравнительно невысоких температур (ниже 0,2-0,3 Т ) начинается процесс возврата, под которым понимают совокупность самопроизвольных процессов, заключающихся в уменьшении микронапряжений, перераспределении дефектов кристаллического строения без значительного уменьшения их числа. При этом не наблюдается видимых изменений микроструктуры по сравнению с деформированным состоянием. Процесс возврата может сопровождаться полигонизацией, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллитов на субзерна (полигоны) с малоугловыми границами. Фрагментация происходит вследствие того, что при нагрве  са­модиффузия ускоряется, дислокации одного знака перегруппировываются в дислока­ционные стенки с образованием ячеистой структуры. В зернах поликристалла образуются субграницы, разделяющие субзерна (полигоны), свободные от дислокаций.

Укрупнение субзерен с увеличением длительности выдержки или повышении температуры нагрева металла приво­дит к дальнейшему снижению прочности. При дальнейщем нагреве происходит изменение микроструктуры наклепанного металла. С ростом температуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волок­нистой структуры. Образование  и рост новых равноосных зерен  за счет деформированных зерен той же фазы называ­ется рекристаллизацией.

Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают первичную, или рекристаллизацию обработки, и собирательную рекристаллизацию. Новые зерна возникают на границах блоков и старых зерен, т. е. там, где решетка наиболее искажена при на­клепе. Процесс первичной рекристаллизации термодинамически выгоден, так как при переходе деформированного металла в более устойчивое равновесное состояние сопровождается уменьшением свободной энергии. В результате пер­вичной рекристаллизации наклеп ме­талла снимается, и свойства прибли­жаются к исходным значениям. Плот­ность дислокаций также уменьшается до первоначального уровня. Температуру начала рекристалли­зации называют температурным по­рогом рекристаллизации. Она зави­сит от температуры плавления (пра­вило академика А. А, Бочвара): Трекр.= а Т_пл, где а - коэффициент, зависящий от состава и структуры  металла.                               

Для технически чистых металлов а = 0,3...0,4, для сплавов - 0,5...0,6. Причина такой зависимости обусловлена тем, что оба процесса (плавление и рекристаллизация) связаны с изменением взаимного расположения атомов и для их развития необходима определенная диффузионная подвижность атомов. Со­отношение уровней диффузионной подвижности при плавлении и рекристаллизации примерно постоянно, вследствие чего пример­но постоянно соотношение температур обоих процессов. В сплавах примеси взаимодействуют с дислокациями и ограничивают их подвижность, что затрудняет образование зародышей новых зерен и тормозит рекристаллизацию. Поэтому температура рекристал­лизации у сплавов выше, чем у чистых металлов.

Последующий рост температуры приводит ко второй стадии процесса — собирательной рекристаллизации, состоящей в росте вновь образовавшихся новых зерен. Большое количество мелких зерен имеет большой запас поверхностной энергии. При укрупне­нии зерен общая поверхность их границ уменьшается, что способ­ствует переходу металла в более равновесное состояние. Движу­щей силой собирательной рекристаллизации является снижение поверхностной энергии(рис. 3.8.). Размер зерен, образовавшихся в процессе рекристаллизации, оказывает большое влияние на свойства металла: с укрупнением зерен снижаются его механические свойства.Величина зерна при собирательной рекристаллизации зависит от температуры нагрева, степени предшествующей пластической деформации и, в меньшей степени, от длительности выдержки при нагреве.Наиболее крупные зерна образуются при небольшой предварительной деформации (до 15 %), которую на­зывают критической. При малых степенях деформации имеет ме­сто неоднородность наклепа, а следовательно, неоднородность де­фектов решетки и напряжений, что способствует укрупнению недеформированных зерен за счет деформированных зерен. Влияние температуры и степени де­формации на размер зерна определяют по диаграммам рекристаллизации (рис. 3.9). С помощью этих диаграмм можно в первом приближении выбрать степень деформации и температуру рекристаллизационного отжига, при которых исключается вероятность сильного рос­та зерен металла. Для уточнения температуры отжига необходимо учитывать содержание примесей в металле, величину зерна до деформации, скорость нагрева, длительность выдержки и другие факторы.

Если необходимо снять наклеп, то для достижения достаточ­ной скорости процесса отжиг наклепанного металла ведут при бо­лее высокой температуре, чем температура рекристаллизации (табл. 3.1).

Деформация может быть холодной и горячей. Холодная де­формация проводится при температурах ниже температуры рек­ристаллизации и сопровождается наклепом металла. Горячая де­формация осуществляется при температурах выше температуры рекристаллизации. Для горячей деформации характерно полное или частичное снятие упрочнения. Таким образом, при обработке давлением имеют место два процесса: упрочнение за счет пласти­ческой деформации и последующее разупрочнение при рекри­сталлизации.

Есть металлы, которые при комнатной температуре не подвер­гаются наклепу и испытывают горячую деформацию. Примером является свинец, имеющий температуру рекристаллизации ниже комнатной температуры. Для молибдена, имеющего температуру рекристаллизации около 900 °С, деформация при нагреве до 800 °С еще является холодной деформацией.

На практике горячую деформацию обычно проводят при тем­пературах (0,7-0,75)T пл.

Таблица 3.1

Температурные режимы обработки металлов (°С)

 

Металл	Плавление	Рекристаллизация	Рекристаллизационный отжиг,°С	Горячая обработка давлением
Молибден	2620	900	1400-1600	2000-1400
Титан	1672	500	650-750	1150-800
Железо	1536	450	650-750	1300-800
Медь	1083	270	500-600	900-650
Алюминий	660	100	350-400	500-400
Свинец	327	-30	__	__
Олово	232	-70	—	—