Текучесть металлов. Факторы, определяющие наличие зуба текучести

Текучесть - свойство тел пластически или вязко деформироваться под действием напряжений.

Основой современной теории тезкой текучести, которую еще нельзя считать окончательно установившейся, является все то же положение, выдвинутое Коттреллом: зуб и площадка текучести обусловлены резким увеличением числа подвижных дислокаций в начале пластического течения. Это значит, что для их появления требуется выполнение двух условий: 1) в исходном образце число свободных дислокаций должно быть очень малым, и 2) оно должно иметь возможность быстро увеличиться по тому или иному механизму в самом начале пластической деформации.

Если продеформировать железный образец, например до точки, разгрузить его и тут же вновь растянуть, то зуба и площадки текучести не возникнет, потому что после предварительного растяжения в новом исходном состоянии образец содержал множество подвижных, свободных от примесных атмосфер дислокаций. Если теперь после разгрузки от точки А образец выдержать при комнатной или слегка повышенной температуре, т.е. дать время для конденсации примесей на дислокациях, то при новом растяжении на диаграмме опять появится зуб и площадка текучести. Необходима конденсация примесей на дислокациях, тогда снова получим зуб текучести.

Теория площадки и зуба текучести

Образование зуба и площадки текучести (так называемое явление резкой текучести) внешне выглядит следующим образом. Упругое растяжение приводит к плавному подъему сопротивления деформированию вплоть до σ_т.^в , затем происходит относительно резкий спад напряжений до σ_т.^н и последующая деформация (обычно на 0,1-1 %) идет при неизменном внешнем усилии – образуется площадка текучести. Во время удлинения, соответствующего этой площадке, образец на рабочей длине покрывается характерными полосами Чернова – Людерса, в которых локализуется деформация. Поэтому величину удлинения на площадке текучести (0,1 – 1%) часто называют деформацией Чернова – Людерса.

Основой современной теории тезкой текучести, которую еще нельзя считать окончательно установившейся, является все то же положение, выдвинутое Коттреллом: зуб и площадка текучести обусловлены резким увеличением числа подвижных дислокаций в начале пластического течения. Это значит, что для их появления требуется выполнение двух условий: 1) в исходном образце число свободных дислокаций должно быть очень малым, и 2) оно должно иметь возможность быстро увеличиться по тому или иному механизму в самом начале пластической деформации.

Упрочнение при торможении дислокаций

Дислокации связаны атмосферами (распределением атомов вокруг дислокации), которые не могут следовать за дислокацией. Для отрыва дислокации от атмосферы требуется сила, большая, чем для ее движения. Следовательно, если дислокация «заторможена» атмосферами, то для дальнейшей деформации нужно создать большее напряжение. Это ведет к образованию «зуба текучести» и упрочнению металла.

Так же: упрочнение происходит при увеличении плотности дислокаций на границах зерен, до их отрыва и движения

Дислокация - линейный дефект, образующий внутри кристалла зону сдвига. Бывает краевая (линейный сдвиг кристалла) и винтовая (сдвиг кристалла по плоскости).

Лекция 8

Кратко рассмотрим, какие основные стадии накопления повреждений свойственны периоду зарождения трещин при кратковременном статическом деформировании.

Первая стадия — стадия микротекучести. Это стадия простирается от начала нагружения до возникновения первых линий скольжения на площадке текучести. На этой стадии определяются такие характеристики как предел пропорциональности и предел упругости. Несмотря на то, что остаточная макродеформации на этой стадии практически равна нулю, в металле протекает микропластическая деформация, причем наиболее интенсивно в приповерх­ностных слоях металла глубиной порядка размера зерна. Это связано с тем, что в приповерхностных слоях металла в благоприятно ориентированных зернах пластическое течение начинается раньше, чем во внутренних объемах металла. Причина такого поведения связана с рядом факторов: особенностью закреп­ления приповерхностных источников дислокации (имеющих одну точку закрепления), у которых критическое напряжение начала их работы значи­тельно ниже, чем у источников в объеме; наличием в поверхностном слое более грубой, чем в объеме, дислокационной сетки Франка и в этом случае для генерирования дислокаций требуется меньшее напряжение; наличием поверхностных концентраторов напряжения; различием скоростей движения дислокаций у поверхности и внутри металла и рядом других факторов. Внутри металла на этой стадии наблюдается движение отдельных дислокаций и локальный процесс размножения дислокаций в благоприятно ориентированных зернах, преимущественно в области границ зерен. Для металлических материалов с физическим пределом текучести окончание этой стадии четко фиксируется началом негомогенной деформации Людерса-Чернова.

Вторая стадия - стадия текучести, на которой наблюдается негомогенная деформация в виде прохождения по всей рабочей зоне образца фронта Людерса - Чернова. В металлах, проявляющих площадку текучести при статическом растяжении, гетерогенная деформация на площадке текучести, происходящая путем лавинообразного распространения пластического течения, связана с быстрым размножением дислокаций на линии продвигающегося фронта деформации. Плотность дислокаций в этой зоне возрастает от исходной в отожженном материале (10⁷ – 10⁸ см^-2) до величины порядка 10¹⁰ см^-2. Позади фронта деформации средняя плотность дислокаций остается затем практически постоянной в течении всего времени деформации на площадке текучести и начинает увеличиваться вновь лишь с последующим ростом напряжений по окончании стадии текучести и перехода в стадию деформационного упрочнения. Основным источником возникновения новых дислокаций на фронте текучести являются границы зерен и другие поверхности раздела. Степень пластической деформации поликристаллических металлов на площадке текучести неоднородна и зависит от ориентации отдельных зерен. В наиболее деформированных зернах уже действует множественное скольжение и возникает дислокационная структура с признаками ячеистой.

И на этой стадии эволюция дислокационной структуры также более существенна в приповерхностных слоях металла и области границ зерен. С точки зрения синергетического подхода резкий физический предел текучести можно рассматривать как точку бифуркации, а сам переход от упругой деформации к пластической, как аналог неравновесного фазового перехода II рода, хотя есть мнение, что при процессах пластической деформации и разрушения проявляются особенности фазовых переходов обоих типов.

В основе современной теории площадки текучести и зуба текучести лежит идея Коттрелла о резком увеличении числа подвижных дислокаций в начале пластического течения. Для этого требуется два условия: 1) в исходном образце число подвижных дислокаций должно быть очень малым; 2) оно должно иметь возможность быстро увеличиваться. Резко увеличится число подвижных дислокаций может за счет следующих факторов: а) разблокировки дислокаций от атмосфер: б) образования новых дислокаций; в) размножения дислокаций при их взаимодействии. Было показано, что появление площадки текучести на кривых деформирования металлических материалов может быть также объяснено барьерным эффектом приповерхностного слоя. Более прочный приповерхностный слой может быть создан предварительно путем поверхностного упрочнения или сформироваться в непосредственно в процессе пластической деформации за счет опережающего пластического течения приповерхностных слоев в металлических материалах.

Третья стадия - стадия деформационного упрочнения. На этой стадии в металлах продолжается увеличиваться плотность дислокаций в условиях сдвигообразования по нескольким плоскостям скольжения и формируется дислокационная ячеистая структура с критической плотностью дислокаций 10¹³ ...10¹⁴ см^-2 (рис 2.7, в). Эта дислокационная структура является диссипативной и ее образование связано с термодинамической неустойчивостью системы в точке бифуркации, когда, например, хаотичная структура перейдет на новый более дифференцированный и более высокий уровень упорядоченности или организации. Кульман - Вильсдорф такие структуры называет низкоэнергетическими дислокационными структурами, для которых характерно наличие объемов, практически свободных от дислокаций, с граничными областями, в которых плотность дислокаций очень высока. Следует отметить, что уже в самом начале стадии деформационного упрочнения в локальных объемах металла формируется области с критической плотностью дислокаций, в которых после определенной степени пластической деформации зарождаются субмикротрещины порядка 100 нм. И. А. Одингом и Ю. П. Либеровым на этой стадии было обнаружено критическое напряжение, при котором на поверхности металла появляются субмикротрещины размером 1-2 мкм. Близкий по физическому смыслу критерий рассмотрен в работах Л. М. Рыбаковой и Б. А. Прусакова, однако кривая растяжения в этом случае строится в координатах S - 5 с определением истинных напряжения и деформации. При этом кривая растяжения выглядит в виде линейных участков с разным углом наклона.

Описанная выше периодичность и стадийность разрушения при кратковременном статическом растяжении характерна для пластичных металлических материалов. Естественно, что в зависимости от структурного состояния материалов и условий деформирования (высокие и низкие температуры, скорость деформирования, окружающая среда) характер разрушения может изменяться, однако сохраняются общие закономерности стадийности накоплений повреждений.

Лекция 9