Концентрация диффундирующего

Более сильное отрицательное влияние оказывают дефекты на работу конструкции под усталостной нагрузкой. Каждый, даже небольшой дефект непровара является концентратором напряжений. Концентрация напряжений (концентрация деформаций) от дефектов является источником зарождения первичных трещин, распространяющихся при повторных нагружениях или с течением времени. Иногда трещины значительной длины возникают внезапно и служат причиной аварий, например, в конструкциях подъемно-транспортных машин, в строительных и других объектах, а также в конструкциях оболочкового типа (газопроводы, сосуды давления), где образовавшаяся трещина может распространяться на большом протяжении.

Мягкие режимы способствуют протеканию равновесной кристаллизации, зона стыка противоположных фронтов кристаллизации выражена слабее, уменьшается концентрация деформаций. В то же время более равновесные условия кристаллизации обеспечивают протекание диффузионных процессов в околошовной зоне и в шве, благоприятствуют развитию межзеренной и зональной ликвации. В целом возникающие деформации воспринимаются кристаллизующимся швом более равномерно.

При циклических режимах нагружения длительно проработавших аппаратов металл подвергается деформационному старению. При этом изменяется дислокационная структура металла и перераспределяются примесные атомы (например. азота) в кристаллах. В результате старения металла повышаются пределы прочности сгв и текучести a-faaz), значительно снижаются пластические характеристики (относительное удлинение 8 и сужение vy). Металл становится более хрупким, и это приводит к ускорению усталостного разрушения. Поскольку в вершине дефектов всегда наблюдается концентрация деформаций, там и старение протекает быстрее.

где v и v0 - частота нагружения при испытаниях и условная частота на-гружения, соответствующая статическому нагружению; Кд - коэффициент, определяемый экспериментально (Кд» 1); значения а и сп в процессе нагружения меняются, как и величина Kie. Поскольку в вершине трещины концентрация деформаций велика, то в расчетах можно полагать, что si и Or достигают предельных значений, определяемых по формулам

Как видно, максимальная концентрация деформаций наблюдается в месте перехода металла шва к основному металлу (точка А). С увеличением нагрузки частота муаровых полос растет, а следовательно и деформация. Плоскость соединяющая две точки А и А' наиболее деформирована. В последующем по этой плоскости происходит разрушение. При статическом нагружении, разрушение может происходить и по основному металлу.

Аналогичные закономерности отмечаются при деформации образцов со смещением кромок со снятым усилением (рис. 3.13). Однако, в этом случае концентрация деформаций в точках А и А' меньше, чем в образцах без снятия усиления.

На рис. 3.14 и 3.15 продемонстрировано влияние параметра mbs на деформированное состояние образцов. С увеличением параметра mbs концентрация деформаций снижается.

как и величина Kl?. Поскольку в вершине трещины концентрация деформаций велика, то в расчетах можно полагать, что Б; и Ст; достигают предельных значений, определяемых по формулам

(в) Распределение напряжений е пластичной матрице. Распределение напряжений около твердых частиц в пластически деформированной матрице точно неизвестно. Мак-Клинток [62] рассмотрел деформацию неупрочняющейся матрицы с использованием пластического предельного анализа. Он показал, что концентрация деформаций в матрице вблизи поверхности жесткого включения может быть очень большой. Для почти сферических включений концентрация напряжений равна 2, но при удлиненных включениях она может быть и существенно больше.

Рассмотрим двумерный слоистый композит, состоящий из параллельно уложенных армирующих листов и растяжимой матрицы, "под действием растягивающегося напряжения в плоскости. Поскольку по своей природе разрушение армирующих элементов контролируется в основном величиной напряжения, то мы предположим, что процесс разрушения композита будет состоять из последовательности разрушений элементов, как показано на рис. 4. Ясно, что, как только появится трещина, возникнет концентрация деформаций в точках А т А'. Если матрица является упругой с низким модулем или пластичной с заданным пределом текучести, то в двух элементах непосредственно перед кончиком трещины возникнет концентрация напряжений и наиболее вероятно, что разрушение этих элементов произойдет в точках А и А', а не в каком-либо другом месте. Элементы, соседние к этим двум, также находятся в условиях перенапряжения, но в меньшей степени. Нас

Когда пластичные волокна заключены в хрупкую матрицу в противоположность рассмотренному выше (см. рис. 1.6) случаю, концентрация деформаций на неровностях волокна не играет существенной роли. Использование стальных стержней с негладкой поверхностью и изогнутыми концами для армирования бетона на практике отражает, во-первых, пренебрежение ролью трения в формировании связи между арматурой и бетоном и, во-вторых, признание нечувствительности стали к концентрации деформаций.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего элемента наибольшая; по мере удаления от поверхности концентрация падает (рис. 256), глубина проникновения (у на рис. 256) будет представлять собой толщину слоя. Так обстоит дело, если диффундирующий элемент образует с металлом систему непрерывных твердых растворов. Если, однако, насыщающий элемент В образует с металлом А систему сплавов с ограниченной растворимостью и с химическими соединениями (рис. 257,а), то строение слоя будет определяться изотермическим разрезом диаграммы состояния этой системы при температуредиффузионного нясыщения.

При допущении, что поверхностная концентрация внедряемого элемента не превышает предела его растворимости в пограничном твердом растворе (т. е. образование новой фазы не имеет места), относительная концентрация диффундирующего элемента при атомной его диффузии в основном металле может быть описана

где сп, \— концентрация диффундирующего элемента на глубине Я через время т; с0 —начальная концентрация диффундирующего элемента в обрабатываемом металле; спред — предельная концентрация диффундирующего элемента, устанавливающаяся на поверхности металла с момента начала насыще-

где с — концентрация диффундирующего элемента на глубине /ггр; а и b — постоянные.

где с — концентрация диффундирующего вещества вблизи поверхности корродирующего металла; с0 — то же, в объеме раствора.

Толпшиа диффузионного слоя при прочих равных условиях тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 142, в). Концентрация диффундирующего элемента на поверхности насыщения зависит от активности окружающей среды, обеспечивающей приток атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к пере-ходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава п структуры образующихся фаз.

При температуре tl (рис 143, а) диффузия протекает в а-решетке, а при t^ (рис. 143, а) в Y-pe-шетке без фазовых превращений. Следовательно, при температуре насыщения существуют только а- или у-твердые растворы, и концентрация диффундирующего элемента (химический потенциал) постепенно уменьшается от поверхности в глубину. Скорость проникновения диффундирующего элемента в глубь железного образца определяется градиентом концентрации dcldx и коэффициентом диффузии D. В начальный период диффузии значение dckh ге;;ико, и общая толщина диффузионного слоя быстро

Зародыши а-фазы образуются на поверхности в местах выхода границ зерен, блоков, скопления дислокаций и других дефектов строения, где более быстро достигается пересыщение у-фазы диффундирующим элементом, легче возникают флуктуации концентраций и энергии, необходимые для образования зародыша а-фазы критического размера и меньше работа его образования. Поскольиу пересыщение имеется только на поверхности, а-фаза образует сплошной слой. Пока существует только у-фаза, концентрация диффундирующего элемента плавно уменьшается от поверхности в глубь (рис. 143, б). Образование а-фазы приводит к скачкообразному повышению концентрации на величину, соответствующую ширине двухфазной области а + у.

где D — коэффициент диффузии восстанавливающегося иона; л и F имеют обычные значения; 6 — - толщина неподвижного слоя' электролита, прилегающего к поверхности электрода (около 0,05 см для неперемешиваемых растворов); t — число переноса всех ионов в растворе, за исключением восстанавливающегося иона (t = 1, если в растворе много других ионов); С — концентрация диффундирующего иона, моль/л.

Рис. 47.4. Концентрация диффундирующего водорода в окрестности вершины трещины: а) при = 1; б) в момент т=10; 1—сталь 4340, 2—сталь 4147.

Вследствие диффузии вблизи поверхности образуется максимальная концентрация диффундирующего элемента, которая снижается по мере удаления от поверхности. Скорость диффузии и общая длительность процесса зависят от значения коэффициента диффузии D (см2/с):