книги / Структура и прочность конструкционных материалов
..pdfНа рис. 2.41,г показан пример неоднородного множе ственного скольжения, протекавшего в образце железа при испытании на усталость с нагревом на 300°С после 8,5.10* циклов нагружения.
Выше было показано (рис. 2.40,д и е), что при уста лостных испытаниях в условиях повышенных температур на поверхности образцов технического железа активизируются экструэионно-интрузионные деформационные процессы. На рис. 2.41,д и е показаны электронные микрофотографии, снятые с образца железа, подвергнутого испытанию при нагреве на 800°с и амплитуде нагружения 0,9 мм (среднее напряжение цикла составило около ±90 МПа). В некоторых участках зерен наблюдается выдавливание отдельных "па чек" металла (рис. 2.41,д). с приближением к границам зерна размер выдавленных объемов сильно возрастает (рис. 2.41,е) .
Протекание рекристаллизации (рис. 2.41,ж и з) во время усталостного испытания иллюстрируется микрофото графией, представленной на рис. 2.41,ж и снятой с по верхности образца железа, прошедшего 3,76.10* циклов переменной нагрузки при 400°С. В указанных условиях ис пытания рекристаллизация протекала как в теле, так и по границам зерен. При этом рекристаллизация в теле зерен наблюдается, как правило, в наиболее деформированных их участках, обладающих максимальной плотностью следов скольжения.
На рис. 2.41,з видны следы тонкого скольжения в от дельных участках зерен образца железа, подвергнутого 4.10* циклам переменной нагрузки в условиях изотермиче ской выдержки при 800°С.
На рис. 2.42 представлены типы деформационных микро рельефов, возникающих на поверхности образцов железа в результате циклического нагружения при высоких темпера турах и преимущественно связанных с развитием процессов деформации по границам зерен и в приграничных участках.
Первый тип микрорельефов (рис. 2.42,а) характери зует взаимное смещение зерен относительно друг друга с образованием трещин по границам. При высоких темпера турах мы наблюдали развитие в теле зерен значительных деформаций, связанных с протеканием тонкого скольжения. Это дает основание предполагать, что взаимное смещение зерен является результатом внутриэеренной деформации, вызывающей ослабление границ и активно развивающейся в начальный период усталостного нагружения.
Вторым типом микрорельефов (рис. 2.42,6) являются складки, образующиеся в районе "тройных" точек (в зонах сопряжения границ трех зерен). Указанный тип микрорелье фа образуется за счет проявления неоднородной пластиче ской деформации в районах тройных точек, возникающей
К третьему типу микрорельефов отнесена фрагментация зерен под действием приложенной к ним переменной нагруз ки (рис. 2.42^). Как правило, величина образующихся в процессе фрагментации субзерен возрастает по мере уда ления от границы к средней части зерна. Обычно фрагмен тацию определяют методами рентгеноструктурного анализа и лишь в некоторых случаях ее удается заметить на поли
рованной поверхности образца при использовании специаль ных методов травления. Размер субэерен составляет ве личину около Ю - ^ - Ю -3 см и степень их разориентирования друг относительно друга, а также по отношению к ис ходной кристаллографической ориентации зерна состав ляет малые углы порядка нескольких градусов.
Последним, четвертым типом высокотемпературных мик рорельефов нашей классификационной схемы принята соби рательная рекристаллизация, связанная с миграцией гра ниц зерен (рис. 2.42,г). Воздействие циклической на грузки на образец значительно активизирует процесс со бирательной рекристаллизации. При этом перемещение гра ниц происходит в виде отдельных "скачков" из одного
Рис. 2.42. Схемы микрорельефов (второй группы), связанных с протеканием деформационных процес-
цов на границах зерен
положения в другое и сопровождается интенсивной дефор мацией объемов материала в зоне расположения мигриру ющей границы. Особенно интенсивно мигрируют границы, ориентированные перпендикулярно к действию прикладывае мых к образцу напряжений. Указанный тип микрорельефа проявляется в виде ряда последовательных положений гра ниц зерен, показанных на приводимой схеме пунктиром.
На рис. 2;43 представлены микрофотографии, иллюст рирующие показанные на рис. 2.42 схемы микрорельефов второй группы.
Образование трещин по границам зерен и различные проявления взаимного смещения зерен в процессе дефор мации при повышенных температурах представлены на рис. 2.43,а; здесь демонстрируется строение поверхности образца технического железа, прошедшего испытание на
переменный изгиб в одной плоскости при Т = 800°С и N = 4,5.10э циклов. Исследования, проведенные с помощью на
несения на |
поверхность образца |
до его |
испытания |
на усталость |
рисок или отпечатков |
алмазного |
индентора |
на приборе ПМТ-З, показали, что, наряду с образованием трещин по границам, в процессе циклического нагружения наблюдается взаимное смещение зерен.
На рис. 2.43,6 показана микрофотография, являющаяся типичной для микрорельефа, связанного с образованием складок в "тройных" точках. Данный микрорельеф наблю дался на поверхности образца после 1,8.10е циклов на гружения при Т = 500°С. В ряде случаев (преимущественно при близком расположении "тройных" точек) формирующиеся в процессе нагружения складки могут сливаться, образуя поле дугообразных складок, исходящих из "тройных" то чек (рис. 2.43,6).
Фрагментация зерен (сказывающаяся в возникновении субструктуры) при переменном нагружении образца в усло виях высокотемпературного нагрева иллюстрируется
рис. 2.43,в (Т = 1000°С, N = 8,6.103 циклов). Образу ющиеся субзерна у границ имеют различную направленность полос скольжения, связанную, по-видимому, с разориентацией субэерен под действием циклической нагрузки.
Направленная миграция границ зерен в результате со бирательной рекристаллизации показана на рис. 2.43,г
(T = 700°С, N = 5,7.103 циклов). В результате перемен ного нагружения и теплового воздействия происходит рост зерна А за счет зерна Б. Перемещение границы при этом происходит "скачкообразно",'с появлением специфического "полосчатого" рельефа, отображающего положение границы на отдельных этапах ее миграции.
Приведенные выше классификационные схемы не исчер пывают весьма многообразных и сложных деформационных
Например, переменное нагружение интенсифицирует разви тие процесса механического возврата.
Кроме механического возврата знакопеременные напря жения могут вызвать в материале протекание процессов, обычно развивающихся при нагреве. Примерами являются ускорение диффузии, образование выделений в твердом растворе и изменения структуры матрицы, подобные проис ходящим при тепловом воздействии.
Известно также, что усталостные испытания при ком натной температуре приводят к образованию дислокаций на полосах скольжения и скоплению дислокаций у препят ствий, являющихся в дальнейшем зонами возникновения субмикроскопических трещин. Последние, в процессе на--
гружения соединяются друг с другом и перерастают в мак роскопическую трещину, приводящую к разрушению образца. Аналогичную картину мы наблюдали при испытании кремни стого железа в интервале температур внутризеренного типа разрушения (до 400°С включительно).
Как видно из рис. 2.44,а отдельные дислокации в кремнистом железе располагаются по полосам скольжения. Плотность их с увеличением числа циклов нагружения воз растает и полосы скольжения приобретают вид темных ли ний. Под действием знакопеременной нагрузки происходит перемещение дислокаций по полосам скольжения и концент рация их у отдельных препятствий, например, у границ зерен, отмеченных стрелками на рис. 2.44,б. Скопление дислокаций вызывает рост внутренних напряжений в зонах их концентрации. При достижении определенной величины напряжения, достаточной для инициирования перемещения дислокаций в соседнее зерно, полосы начинают переходить в близлежащие участки. На рис. 2.44,6 хорошо видно, как скопление дислокаций в приграничных зонах зерна А ин тенсифицирует развитиё полос скрльжения в соседнем зер не В, менее благоприятно ориентированном к зерну A ni
к направлению прикладываемой нагрузки. Когда границы зерен расположены под прямым углом к развивающимся по лосам скольжения, они оказываются особенно значительным препятствием для развития полос скольжения. Дополни тельными препятствиями могут служить различные металли ческие и неметаллические включения, границы раздела фаз и другие факторы, вызывающие искажение кристаллической решетки данного материала.
Небольшие зерна, иногда наблюдаемые внутри крупных зерен, возникающих при рекристаллизации, являются свое образным барьером для полос скольжения, развивающихся в процессе циклического, нагружения образцов кремнистого железа при температуре 200°С, как это иллюстрируется, например, на рис. 2.45, где буквой А обозначено малое
