Процессов деформирования

Многопроходная деформация является основным элементом многих видов термомеханической обработки (прокатки, ковки, волочения и др.). При этом количество проходов и степень деформации за проход связаны не только с технологическими ограничениями процесса передела слитка (или заготовки) в полуфабрикат заданного профиля, но и с задачей получения оптимального комплекса механических свойств в деформированном металле. Однако эта задача решается пока чисто эмпирически из-за недостаточной изученности закономерностей, определяющих формирование дислокационных структур в условиях наложения и многократного повторения процессов деформационного упрочнения и динамического возврата. Необходимость изучения этих закономерностей не требует особого доказательства, достаточно сказать, что большинство конструкционных металлов и сплавов используются в технике в деформированном состоянии, т. е. без конечной рекристаллизационной обработки.

Характер изменения микротвердости стали Х18Н10Т в про-пессе старения при 650° С свидетельствует о том, что скорость предварительной деформации растяжением существенным образом влияет на развитие процессов деформационного старения. В образцах, деформированных на 5% со скоростью 140 мм/ч (рис.1), наблюдается повышение микротвердости в течение первого часа изотермической выдержки; уменьшение степени деформации до 1% приводит к повышению микротвердости только после 4—5 ч. Начальное снижение микротвердости, по-видимому, связано с влиянием повышенной температуры. Увеличение времени изотермической выдержки при 650° С до 11 ч приводит к дальнейшему повышению микротвердости.

Выполненное в данной работе экспериментальное исследование подтвердило, что деформационное старение состоит, по-видимому, в увеличении числа точек закрепления дислокаций примесными атомами, в связи с чем наблюдается отмеченное повышение микротвердости в течение первых часов старения и увеличение полуширины рентгеновских линий. При дальнейшем старении происходит укрупнение вторичных фаз карбидов МеС и Ме23С6, проиллюстрированное данными электронно-микроскопического исследования; при этом наблюдается второй пик микротвердости и микронапряжений (старение до 5ч). С увеличением степени деформации от 1 до 5% скорость протекания процессов деформационного старения повышается.

ния протекали значительно интенсивнее), вместе с тем процессы упрочнения имели место в обоих случаях и, например, предел текучести материала при 450° С увеличивался даже сильнее, чем при 650° С, когда карбидообразование было более интенсивным. Это дает основание предположить, что если при 650° С упрочнение материала определяется в основном развитием процессов деформационного старения (выпадением карбидных частиц), то при 450° С процессы упрочнения могут быть связаны с развитием блочной структуры под действием циклического нагружения в упруго-пластической области.

Таким образом, при циклическом упруго-пластическом деформировании аустенитной стали Х18Н10Т развитие процессов деформационного старения зависит от условий нагружения (температура испытания, уровень нагрузки и форма цикла). При испытании в условиях интенсивного деформационного старения (650° С) процессы упрочнения и охрупчивания материала связаны с образованием карбидной фазы (в основном карбида Ме2зС6), при других температурах нагружения (например, 450° С) процессы упрочнения и изменения пластичности материала могут быть связаны с формированием блочной структуры. При этом карбидообразование протекает менее интенсивно и существенно зависит от формы цикла (причем в отличие от испытаний при 650° С при 450° С наблюдается в данной стали преимущественно карбид МеС). Развитие карбидообразования и формирования блочной структуры в зависимости от уровня нагрузки при 450° С, так же как и при 650° С, может приводить к возникновению хрупких состояний, и излом при этом носит хрупкий характер. В связи с изложенным, наблюдающееся изменение циклических характеристик (ширина петли гистерезиса, односторонне накапливаемая деформация, предел текучести и др.) при температуре 650° С может быть связано в основном с развитием деформационного старения (выпадением карбидных частиц), а при 450° С — с формированием блочной («решетчатой») структуры.

При изучении поведения слоистых металлических материалов в условиях циклического нагружения существенный интерес представляет исследование особенностей процессов деформационного и диффузионного взаимодействий, развивающихся в зоне сопряжения разнородных составляющих композиций. В данной работе исследование процессов упрочнения и разупрочнения переходных слоев биметалла при циклическом нагружении проводили методом измерения микротвердости рабочей части образца, разделенной на 50 участков протяженностью 100 мкм каждый, через определенное число циклов нагружения.

В первом приближении развитие процессов деформационного старения состоит в увеличении числа точек закрепления дислокационной линии прит месными атомами и увеличении количества этих атомов в районе точек закрепу ления. В образцах, растянутых на 5 и 1 % со скоростью 1000 мм/ч, деформационное старение протекает наиболее интенсивно и его механизм заключается, очевидно, только в сегрегации примесей, т. е. старение протекает в одну стадию. Деформирование же стали с меньшими скоростями (0,14 и 140 мм/ч) вносит меньшее количество «свежих» дислокаций, тем самым создавая условия для протекания второй стадии старения — образования тонкодисперсных выделений второй фазы в местах скопления примесных атомов. Рассматриваемая система при этом будет обладать более высокой свободной энергией, чем при выделении на дислокациях. Следовательно, старение при 650° С должно приводить к растворению матричных выделений и дополнительной сегрегации их на дислокациях.

Текущее значение сопротивления деформации, определяемое совместным влиянием процессов деформационного упрочнения и динамического разупрочнения, может быть представлено в самом общем виде как

При относительно небольших временах выдержки и числах циклов (что соответствует небольшим накопленным временам до 30— 50 час) в силу процессов деформационного старения стали типа 18-8 наблюдается уменьшение циклических пластических деформаций (см. рис. 9) и увеличение сопротивления этим деформациям (рис. 10 и И). С накоплением суммарного времени деформирования начинает проявляться роль циклических деформаций ползучести, и сопротивление неупругим деформациям уменьшается. Следствием этого является уменьшение сопротивления разрушению при мягком нагружении по сравнению с жестким для одинаковых деформаций нулевого полуцикла (см. рис. 4 и 6).

2. Феноменологическое поведение материала под нагрузкой определяется структурным состоянием материала и мгновенными условиями нагружения в момент измерения. Изменение структурного состояния в процессе нагружения является результатом взаимодействия процессов деформационного упрочнения и релаксации во времени. Зависимость кривой деформирования от пути предшествующего нагружения (истории нагружения) обусловлена изменением структурного состояния материала в соответствии с соотношением процессов упрочнения и релаксации.

Таким образом, изменение сопротивления материала деформации при заданном параметре испытания является результатом протекания трех процессов: деформационного упрочнения, изменения сопротивления, во времени и вязкого течения

нышевой было показано, что деформация металла шва в зоне ТИХ осуществляется по механизму межзеренного проскальзывания и горячие трещины возникают в результате исчерпания ресурса пластичности материала в ТИХ. Появление современной аппаратуры для механических испытаний и для структурных исследований РЭМ, в особенности развитие метода in situ РЭМ, позволяющего совместить механические испытания со структурными исследованиями процессов деформирования и разрушения, дает новые возможности для изучения технологической прочности материалов на основе концепции Н. Н. Прохорова. В развитой нами методике образец исследуемого на свариваемость металла нагружается предварительно до некоторого фиксированного уровня напряжений, после чого привод машины отключается. В образце наблюдается развитие релаксации напряжений. В этот период на поверхность образца с помощью дугового разряда наносится сварная точка. Ее появление сопровождается протеканием в образце волны разгрузки из-за нагрева образца теплом дуги. Величина разгрузки регистрируется иа диаграммной ленте. После выравнивания температуры и охлаждения образца до комнатной температуры продолжается процесс релаксации напряжений, но с уровня напряжений меньшего, чем до горения дуги. Экстраполяция уровней напряжения к моменту зажигания дуги позволяет установить разницу этих напряжений, а по ней можно определить величину деформаций, накопившуюся зп время горения дуги. Рассчитав термический цикл сварки в приближении плоского теплового источника в бесконечном стержне постоянного сечения, можно оценить время пребывания сварного металла в ТИХ. Этих данных достаточно, чтобы определить скорость деформации металла шва в ТИХ, которую принимают за критерий образования горячих трещин, если она соответствует появлению трещин в шве. Наличие трещин устанавливается при изучении поверхности оплавленного металла в растровом электронном микроскопе. Экспериментальная часть работы была проведена на образцах стали 10 на испытательной машине «Инстрон-2520». Образцы нагружали до начального уровня напряжений б, 10, 20, 30. 30 кг/мм2. Сварные точки наносились с помощью дуги от плавящегося электрода со стержнем ив стали Св-08 Температура измерялась в контрольной точке с помощью термопары, а распространение температурного Поля по образцу после зажигания дуги рассчитывалось аналитически. Время горения дугового разряда 1 сек. Поверхность оплавленного металла изучалась в растровом электронном микроскопе «Cambridge-360. Наблюдались следы меж-зеренных проскальзываний. При 6 - 2,1*10-' 1/сэк в оплавленном металле не наблюдалось трещин (О ~ б кг/мм2), при других уровнях напряжений они обнаружены.

Для процессов деформирования и разрушения металлически* материалов показано, что при силовых, температурных, радиационных и других видах воздействия связь между простыми отношениями переменных, контролирующих течение процессов, пропорциональна. На примере процесса распространения усталостных мпкротрещик в конструкционных материалах показано, что параметры, характеризующие неустойчивость процесса на мезо- и макроуровнях, обладают свойством подобия и масштабной инвариантности (скейлингом).

241. Пригоровский Н. П., Злочевский А. Б., Маркочсв В. М. Исследование процессов деформирования и разрушения при механических пспытани-ях.— Заводская лаборатория, 1982, № 2, с. 96—105.

Ранее было показано (см., например, соотношение (3.3)), что особенности процессов деформирования оболочковых конструкций при их на-гружении учитываются при оценке несущей способности конструкций через параметр Р„ (параметр неустойчивости пластического течения), с помощью которого осуществляется коррекция условных напряжений, действующих в стенке оболочки, на уровень их истинных значений с учетом формоизменения оболочки.

Ранее было показано (см., например, соотношение (3.3)), что особенности процессов деформирования оболочковых конструкций при их на-гружении учитываются при оценке несущей способности конструкций через параметр 3И (параметр неустойчивости пластического течения), с помощью которого осуществляется коррекция условных напряжений, действующих в стенке оболочки, на уровень их истинных значений с учетом формоизменения оболочки.

личных по направлению и величине внешних нагрузок сопровождается изменением комбинации одновременно протекающих процессов деформирования материала у кончика трещины вдоль всего фронта. Одни факторы влияют на вязкость разрушения только в результате перераспределения затрат энергии вдоль фронта трещины, а другие оказывают влияние на размер зоны и непосредственно изменяют раскрытие вершины трещины. Условия нагружения позволяют или препятствуют материалу реализовать различные способы поглощения энергии перед скачком трещины. Поэтому в зависимости от условий комбинированного нагружения имеет место возрастание или убывание вязкости разрушения в результате доминирования одного или комбинации процессов деформирования материала (возможность затупления трещины, перенапряжение материала, препятствующее раскрытию трещины и т. д.).

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.

Обшие закономерности развития ползучести и разрушения в теплоустойчивых сталях свидетельствуют о том, что в зависимости от химического состава, исходной обработки, условий эксплуатации скорость развития процессов деформирования и разрушения в элементах теплоэнергооборудования будет различной.

При анализе структуры уравнений критериев прочности подчеркивается, что в исследуемые зависимости необходимо вводить специальные параметры, отражающие индивидуальные особенности материала. Особую роль такие коэффициенты приобретают при больших сроках службы, когда в процессе длительного воздействия температуры и внешних нагрузок могут изменяться как свойства материала, так и механизм развития процессов деформирования и зарождения и роста повреждений. Поэтому, планируя программу испытаний для оценки конструктивной жаропрочности, следует выявлять границы температур-но-силовой области эксперимента, в которой сопротивление разрушению определяется физическими закономерностями, адекватными процессам, определяющим условия службы металла при длительной эксплуатации. В таких условиях обработка экспериментальных данных позволит получить правильные оценки коэффициентов как уравнении температурно-временной зависимости прочности, так и формул критериев длительной прочности.

4. Березина Т. Г., Лепехин А. 3. Взаимосвязь процессов деформирования и разрушения при ползучести перлитных теплоустойчивых сталей // Проблемы прочности. 1984. № 7. С. 40—46.

Несоответствие механических свойств при кратковременных и длительных нагружениях наблюдается часто. Вместе с тем особо хрупкое состояние тела зерна, проявляющееся при кратковременном нагружении, может привести к преждевременному разрушению при длительном нагружении. Это наблюдалось, например, в высоколегированном никелевом сплаве ЖС6У в состоянии непосредственно после закалки при нагружении при температуре 800°С. При этой температуре в сплаве после закалки происходит интенсивный распад твердого раствора, большое количество частиц основной упрочняющей ^'-фазы является препятствием для движения дислокаций, кроме того, на границах: и в теле зерен имеются выделения игольчатой формы [68]. В не-термообработанном сплаве при этой же температуре испытания интенсивного распада не наблюдается. В условиях нагружения сг=0,55 ГН/м2, ^=800°С время жизни образцов с трещиной в тер-мообработанных образцах составляло 20—30% общей долговечности, в литых 55—60%, при этом полная долговечность увеличивалась примерно в 10 раз. Фрактографическое исследование показало, что разрушение литых образцов от разрушения тер-мообработанных образцов отличается в основном степенью пластичности процессов деформирования и разрушения в теле зерна, что выявилось при исследовании изломов в зоне долома и при однократном нагружении (рис. 61).