Накопления дислокаций

Прежде всего следует акцентировать внимание на том, что С.Н. Журков был одним из первых, кто обнаружил универсальность временной зависимости прочности, введя в рассмотрение процесса разрушения фактор времени. Эта идея поколебала установившуюся точку зрения на разрушение как мгновенного акта. Концепция С.Н. Журкова связана с утверждением, что разрушение является по своей природе термофлуктуационным процессом, в котором внешняя сила не осуществляет непосредственно разрыва межатомных связей, а лишь препятствует рекомендации разорванных связей. Зависимости между временем до разрушения, скоростью ползучести с (скорости накопления деформации) и напряжением а имеют вид:

делить весь процесс накопления деформации и разрушения на два основных периода - период зарождения и период распространения трещин. При статическом растяжении, по-видимому, можно пластическую деформацию и повреждения, накопленные до начала образования шейки, классифицировать как период зарождения трещин, а шейкообразованис с последующим разрушением как период распространения трещин (заштрихованная область на рис. 6). При шейкообразовании у пластичных металлических материалов также можно выделить ряд стадий: образования пор, объединения пор и разрушения сдвигом.

Процессы разрушения и деформирования при ползучести являются термоактивированными кинетическими процессами и происходят одновременно в течение практически всего времени пребывания материала под нагрузкой. Изучение процесса разрушения должно происходить в тесной связи с изучением процессов деформирования при ползучести. Поэтому прежде, чем рассматривать морфологические особенности разрушения, рассмотрим различные температурно-силовые области, в которых в основе процессов ползучести и разрушения лежат разные механизмы, вызывающие кинетические закономерности накопления деформации и несплошностей при ползучести. Этой цели служат так называемые карты механизмов ползучести и разрушения.

ниями о закономерностях развития пластической деформации на разных этапах ползучести. Такую дополнительную информацию можно получить с помощью механического уравнения состояния и уравнений температурно-силовои зависимости характеристик жаропрочности, в которых отражена закономерность накопления деформации и повреждений на разных стадиях процесса.

вать процесс накопления деформации ползучести во времени. С этой целью для указанных режимов работы роторов рассчитаны по две кривые ползучести для каждого напряжения.

Сопоставление кривых, характеризующих относительную по-врежденность количеством накопленных пор в двух партиях металла стали 12Х1МФ, с соответствующими расчетными кривыми (сплошные и пунктирные линии на рис. 3.22) подтвердило целесообразность применения формулы (3.23) для оценки степени поврежденное™ металла на разных стадиях исчерпания ресурса. Кривые накопления повреждений, рассчитанные по формуле (3.23), для роторной стали Р2М в полной мере отражают закономерности накопления пластической деформации (соответственно повреждений) в условиях ползучести (см. рис. 3.24). Аналогичная обработка результатов испытаний на длительную прочность стали 15ХМ в интервале температур 550—625 °С подтвердила возможность использования формулы (3.23): расчетная кривая в достаточной мере отражает процесс накопления деформации ползучести (см. рис. 3.25,6).

Работоспособность материалов определяется не только сопротивлением разрушению, но не в меньшей мере интенсивностью накопления деформации ползучести во времени под действием сложнонапряженного состояния, т.е. в реальных условиях работы элементов энергооборудования. Этим объясняется интерес, который проявляют исследователи к оценке влияния вида напряженного состояния на закономерности роста деформации ползучести.

Наконец, получили широкое развитие работы по изучению общих закономерностей ползучести в условиях сложнонапряженного состояния (конструирование уравнений состояния) [100]. Последнее направление позволяет получить наиболее полную информацию о закономерностях накопления деформации и повреждений во времени, что способствует раскрытию возможностей материала в реальных условиях эксплуатации.

Возможности оптического метода в принципе позволяют также изучать различные деформационные эффекты, свойственные термоусталостным испытаниям (например, эффект локализации пластической деформации, кинетику одностороннего накопления деформации, формоизменение и пр.) протекающие при высоких температурах [27]. Применение оптического метода оправдано для оценки величины упругопластической деформации в первых циклах термоциклического нагружения и для та-

Измерение изменения электросопротивления стали 018Н10Ш в процессе малоциклового нагружения при 650° С (рис. 2, а) показало, что эта характеристика вначале возрастает, а затем снижается до величины, меньшей, чем электросопротивление закаленной стали. Ход изменения электросопротивления обусловливается влиянием двух факторов: возникновением выделений, вызывающих рассеяние электронов проводимости (повышение электросопротивления), и обеднением пересыщенного твердого раствора легирующими элементами, определяющими снижение электросопротивления. Максимум электросопротивления достигается тогда, когда размер выделений сопоставим с длиной волны электронов проводимости (5—10 А по Мотту), т. е. на первой стадии старения. При дальнейшем увеличении размеров выделений электросопротивление начинает падать, как вследствие уменьшения рассеяния электронов на выделениях, так и за счет уменьшения электросопротивления матрицы. В момент накопления деформации и появления микротрещин электросопротивление возрастает, причем в момент появления микротрещины наблюдается резкий скачок электросопротивления. При малоцикловом нагружении по схеме растяжение — сжатие в полуцикле растяжения электросопротивление увеличивается вдвое, по сравнению с полуциклом сжатия (рис. 2, б).

Периферийные процессы протекают в связи с накоплением деформации в пограничных областях, обусловленные комплексным действием нескольких элементарных механизмов пластической деформации и внешне проявляются как взаимное перемещение и поворот зерен. Такая пластичность называется межзеренной, она характеризуется высокой локальностью накопления деформации.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис. 3.2, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).

Изучение начального (инкубационного) периода усталостного разрушения показывает [73], что уже с первых циклов нагружения рост плотности дислокации сопровождается изменением значений электрофизических параметров. По мере накопления дислокаций и формирования ячеистой структуры происходит дальнейшее изменение этих параметров. Для п = 4000 стадия циклической микротекучести заканчивается. Для стадии циклической текучести характерно лавинообразное нарастание плотности дислокации не только по границам ячеистой структуры, но и в объеме самой ячейки. Для а — 70 МПа этот участок соответствует 7—10 тысячам циклов нагружения.

Изучение начального (инкубационного) периода усталостного разрушения показывает [73], что уже с первых циклов нагружения рост плотности дислокации сопровождается изменением значений электрофизических параметров. По мере накопления дислокаций и формирования ячеистой структуры происходит дальнейшее изменение этих параметров. Для п = 4000 стадия циклической микротекучести заканчивается. Для стадии циклической текучести характерно лавинообразное нарастание плотности дислокации не только по границам ячеистой структуры, но и в объеме самой ячейки. Для а = 70 МПа этот участок соответствует 7—10 тысячам циклов нагружения.

Описанные выше модели деформационного упрочнения основываются на каком-либо одном механизме накопления дислокаций. Кроме того, в каждой из них используются допущения, упрощающие сложную картину пластической деформации в реальных материалах. Сложность, многоуровневость и разнообразие процессов, сопровождающих деформационное упрочнение, затрудняют возможность создания общей физической теории упрочнения металлов и сплавов. При этом все оценки напряжения, необходимого для продвижения дислокаций через область, имеющую плотность дислокаций р, принимают вид формулы (3.1), а какой конкретный механизм из приведенных действует в том или ином случае, зависит от реальной дислокационной модели, структуры, типа материала и условий нагружения.

Итак, в процессе пластической деформации поликристаллических ОЦК-металлов можно наблюдать формирование различных структурных состояний от гомогенного распределения дислокаций до развитой ячеистой структуры. Процесс накопления дислокаций и характер их распределения, как отмечает Такеучи [296], являются главными факторами, определяющими упрочнение металла.

Динамический возврат. Эволюция дислокационной структуры во время динамического возврата начинается в наиболее деформированных местах с накопления дислокаций и постепенного образования субграниц. С повышением плотности дислокаций скорость их аннигиляции возрастает до тех пор, пока не станет равной скорости их образования. В результате плотность дислокаций увеличивается до равновесной величины подобно тому, как это происходит в холодно-обработанных и подвергнутых возврату металлах. Поскольку только часть субграниц способна мигрировать, стенки ячеек должны непрерывно распадаться и вновь образовываться в процессе, названном ре-полигонизацией [275]. Равновесное положение стенок определяется плоскостью расположения дислокаций в них и способностью последних покидать свои плоскости скольжения для образования более регулярных низкоэнергетических границ. От способности дислокаций к поперечному скольжению, ограниченной в металлах и сплавах с низкой энергией дефекта упаковки, в значительной мере зависит степень динамического возврата в деформируемом материале.

К выражению (3.50) можно прийти и другим путем, использовав; зависимость (3.11) плотности дислокаций от деформации. В данном случае коэффициент параболического деформационного упрочнения К. будет определяться (при условии постоянства размера зерна) [3271 интенсивностью накопления дислокаций в процессе деформации

Зарождение усталостной трещины в материале с различной кристаллической решеткой происходит в результате последовательного накопления дислокаций в ограниченном объеме, где окончательно оформляется устойчивая полосовая дислокационная структура [104, 106]. Указанный вид дислокационной структуры распространяется вглубь от поверхности, образуя слой наиболее поврежденного материала. Вместе с тем формирова-

После некоторой начальной деформации (е .= 0,05) средняя плотность дислокаций в зернах слегка возросла до 1015 м~2. Еще раз отметим, что это нижний предел плотности, поскольку реальная плотность дислокаций должна быть выше вследствие накопления дислокаций также на границах зерен. Однако в таких сложных структурах трудно получить статистически надежные результаты. Тем не менее, можно утверждать, что средняя плотность дислокаций во время дальнейшей деформации не изменялась. У большинства границ зерен сохранился сложный контраст, т. е. они сохранили свое неравновесное состояние.

Дислокационное скольжение четко выявляется с помощью электронно-микроскопических наблюдений следов скольжения на поверхности образцов. Более того, изменение формы зерен однозначно свидетельствует о том, что внутризеренное скольжение дает основной вклад в общую деформацию образца. Тем не менее в теле зерен не наблюдается накопления дислокаций, хотя плотность последних достаточно высока (примерно 1015м~^).

Можно предложить два объяснения факту отсутствия дальнейшего накопления дислокаций в теле зерен [61]. Во-первых, небольшое количество дислокаций в теле каждого отдельного зерна участвует в деформации. Действительно, число дислокаций, скользящих в единицу времени в зерне, может быть оценено с учетом предположения, что они быстро захватываются границами зерен. При скорости деформации 1,4 х 10~3с~1, использованной в эксперименте, макроскопическая деформация, равная 50%, требует временного интервала в 360 с. Принимая во внимание размер зерен 210 нм, а удлинение зерен 105 нм, что соответствует скольжению примерно 400 дислокаций, получаем, что в отдельном зерне в деформации участвует 1 дислокация в секунду. Во-вторых, отсутствие накопления дислокаций может быть связано с процессами возврата. Часть возврата может осуществляться путем поперечного скольжения дислокаций. Более того, возврат должен происходить также в результате поглощения дислокаций границами зерен. Рассмотрим данный процесс более подробно.