книги / Физические основы торможения разрушения

Известны следующие основные механизмы образования дисло­ каций: захлопывание вакансионных дисков-скоплений с возник­ новением дислокационной петли [137], появление дислокационных источников под действием скалывающих деформаций, обусловлен­ ных термическими напряжениями или изменениями состава сплава. Может быть высказано предположение о возникновении дислока­ ционных источников нетермического происхождения в результате кристаллографического несоответствия контактирующих, а быть может, и сопрягающихся решеток включения и матрицы.

Возможно зарождение исходных дислокационных источников

П р и м е ч а н и е . В стали Х18Н10Т коэффициент концентрации вокруг нитридов составлял 3—4: в стали 55С2 вокруг карбидов 2,8—3.

122

металлом. Во всех случаях работа источников и распространение пластической деформации от включения должны контролироваться протяженностью и величиной упругого поля включения.

Таким образом, механическое воздействие неметаллического включения на сталь заключается в образовании сосредоточенной области пластической деформации как следствие концентрации напряжений около включения. В сталях, где общая плотность неметаллических включений велика, они располагаются настолько близко, что происходит «сращивание» упругих полей, а затем и зон сосредоточенной деформации. Это создает сложную мозаику напряжений и деформаций даже в пределах одного зерна.

По-видимому, в случае статического нагружения в области умеренных деформаций (порядка нескольких процентов) неметал­ лические включения размером 5— 10 мкм неопасны, так как вызы­ вают очень малые деформации и поэтому не могут привести к обра­ зованию трещин и разрушению. В этих условиях не представляют опасности и крупные включения (до нескольких десятков микро­ нов), которые хотя и образуют зону повышенных деформаций, однако не способны трансформировать ее в достаточно большую трещину. Допустим, что в окрестностях включения деформация прошла на уровне, достаточном для реализации одного из извест­ ных дислокационных механизмов, что вызвало образование заро­ дышевой микротрещины размером, близким к размеру включения, т. е. максимально 100—200 мкм. Критический размер трещины, при котором она теряет устойчивость и приобретает способность к росту, составляет несколько миллиметров. Известно, что металл обладает известным иммунитетом против мелких трещин и почти всегда содержит их. Например, трещины размером 2—2,5 мм не влияют на свойства стали.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА КОНЦЕНТРАЦИИ

НАПРЯЖЕНИЙ ВОКРУГ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

образцов. Основной узел установки — фотоэлектронный умножитель ФЭУ-29 с параметрами Umах = 1400 В, / темн = Ю~8 А. Для того чтобы уловить изме­ нение интенсивности света в точке, была применена диафрагма из фотоэлектро­ колориметра, расположенная перед фотоэлектронным умножителем.

Образец с фотоупругим покрытием помещали в нагрузочное устройство. Появляющийся в результате нагружения эффект двойного лучепреломления вызывал разность хода, которая воспринималась фотоумножителем и регистри­ ровалась баллистическим гальванометром. Питание фотоумножителя осуществ­ ляли высоковольтными блоками напряжением до 2500 В. Для уменьшения погрешностей применяли стабилизатор и приборы, контролирующие подачу постоянного напряжения на фотоумножитель и осветитель.

Минимальная деформация, улавливаемая прибором, составляет 0,05—0,07%.

123

где Ещах (^шах) — максимальная деформация (напряжение) вблизи включения; 8 ср. фон (аср. фон) — среднее значение деформации (напряжения) вокруг неме­ таллического включения.

Для количественного определения локальных упругих напряжений вокруг включений различной природы и формы при статическом нагружении были выбраны стали СтЗ и 45, а также кремнистое железо. Типы включений в ста­ лях определяли металлографическим и петрографическим анализом.

Образцы вырезали вдоль прокатки и подвергали длительному отжигу в тече­ ние 5—6 ч в вакууме при 850° С. Это было необходимо для устранения на­ клепа, вызванного механической обработкой, и в целях укрупнения зерна, размеры которого должны были превышать величину включений на 1—2 порядка. Это обусловливало достаточно строгое дифференцирование полей напряжения включения и границ зерен. Использовали покрытия толщиной до 5— 10 мкм.

Исследования проводили в упругой области нагружения. При напряжениях (0,4н- 0,5) Оу около неметаллических включений наблюдаются мало заметные просветления, которые усиливаются системой и регистрируются гальванометром. После каждого этапа повышения напряжения для проверки их обратимости проводили разгрузку и замеряли фон около включений. Релаксации упругих напряжений не наблюдалось. При напряжениях, близких к 0 ,8ау, в случае про­ стых и сложных силикатов и сульфидов, корундов и других включений упругая деформация в зонах, прилегающих к включению, переходит в пластическую. После разгрузки образцов наблюдаются заметные зоны остаточных деформаций. В процессе исследований на всех ступенях нагружения замерены коэффициенты концентрации напряжений, которые увеличиваются с ростом нагрузки.

Существуют два фактора, характеризующие влияние включе­ ния на механические свойства металлов: физико-химический (хи­ мический состав, кристаллическое строение, механические харак-

Рис. 47. Схема установки для замера упругих напряжений вокруг неметаллических включений:

12 — фотоумножитель ФЭУ-29; 13 — баллистический гальванометр

124

не соответствуют теоретическим (рис. 48), так как, по-видимому, теоретические данные не учитывают формы включений и поля уже существующих термических напряжений, величина которых может оказаться соизмеримой с напряжением при нагружении. Коэффициент концентрации напряжений корунда А120 3 больше, чем сульфидов железа и кварца, хотя, судя по модулям упругости включений этих типов, должно быть наоборот. Значительное влия­ ние на напряжения при растяжении оказывает здесь форма вклю­ чений и их расположение по отношению к действию нагрузки из­ вне. Многоугольная форма включений корунда с острыми зубцами значительно опаснее глобулярной у Si02 и сложных силикатов, имеющих эллипсоидальную форму. Сульфидные включения FeS и MnS, вытянутые в направлении действия нагрузки, также снижают концентрацию напряжений в металлической матрице. Включения сульфидов железа, марганца и хрома становятся более опасными концентраторами в том случае, если большая полуось их перпен­ дикулярна к нагрузке.

Однако при сравнении теоретически рассчитанных и экспери­ ментально полученных коэффициентов концентрации необходимо учитывать, что в нашем случае диаметр включения был меньше толщины образца, а теоретическая оценка коэффициентов концен­ трации принята для сквозной шайбы.

На рис. 48 построены графики распределения коэффициентов концентрации по мере удаления от включений. Все они примерно одного характера. Если в пластической области лучи деформиро­ ванной розетки имеют преимущественное направление, близкое к ориентировке плоскостей скольжения, то в упругой они распола­ гаются под углами 0 и 90° к действию нагрузки. В случае силикат­ ных включений наиболее развиты горизонтальные лучи, которые начиная с некоторого критического напряжения, близкого к пре­

125

делу текучести, затухают и развиваются под действием сдвиговых напряжений по плоскостям скольжения. У сульфидов, а иногда и корундов нет четко выраженных направлений лучей (ни в упругой, ни в пластической областях), вероятно, потому, что эти включения имеют менее строгую форму, чем силикаты и оксиды.

Исследование показывает, что механическое воздействие не­ металлического включения на сталь заключается в образовании сосредоточенной области напряжений около включений. Хотя концентрация напряжений в упругой области велика, при статиче­ ском нагружении она не вызывает образования микротрещин. Последние возникают на конечных стадиях макроупругого нагру­ жения, когда в области неметаллического включения образуются зоны локального пластического сдвига. Концентрация деформаций может привести к локальному разрушению возле включений. Однако концентрация напряжений около включений в упругой области, вероятно, может вызвать образование и рост трещины при циклическом нагружении материала.

В работе [142] были изучены различные факторы, влияющие на точность измерений. Можно показать [143], что погрешность срав­ нительно невелика, если толщина покрытия хотя бы в 7— 8 раз меньше исследуемого объекта (в нашем случае поля напряжений от включения, размер которого 20—300 мкм). Оценка погрешности при измерении напряжений и деформаций в локальных участках

сматривали подшипниковую сталь с 1 и 1,5% Сг. Напряжения в их случае были термического характера по происхождению, что обус­ ловлено различиями в термическом сжатии частицы и матрицы после охлаждения. Наиболее высокие напряжения в основном воз­ никают под влиянием включений, состоящих из алюминатов каль­ ция, глинозема и шпинелей, и именно они оказывают наиболее отчетливо выраженное вредное воздействие на усталость. Только сульфид марганца не влияет на усталостные свойства и может спо­ собствовать формированию микропор. Оксидные включения (осо­ бенно алюминаты), имеющие оболочку из сульфида марганца или кальция, обычно менее вредны, чем только оксиды.

5. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ОКОЛО

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ УСТАЛОСТИ

Исследование этого процесса было выполнено Г. А. Барыше­ вым 1 [145, 146] на установке, позволившей наблюдать за состоя­ нием поверхности образца, плакированной фотоупругим слоем, и измерять концентрацию напряжений непосредственно в процессе усталостного испытания.

1 Барышев Г. А. Микропроцессы пластической деформации и разрушения около неметаллических включений. Автореф. канд. дис. Волгоград, 1971.

126

сперимента. Строили зависимости значений коэффициентов кон­ центрации напряжений около включения от числа циклов нагру­ жения. Оказалось, что в начальный период испытания значения К такие же, как и в случае статического растяжения. Однако с рос­ том числа нагружающих импульсов коэффициент концентрации напряжений растет. Эти зависимости для разных типов включе­ ний приведены на рис. 49.

В связи с этим перечислим ряд возможных причин повышения концентрации напряжений около неметаллических включений при усталости:

1) изменение модулей упругости включения и матрицы;

2) разрушение включений;

3)перераспределение напряжений в процессе усталости;

4)эффект ползучести;

5)изменение характера сил связи на границе раздела включе­ ние—матрица.

По мнению Г. А. Барышева, доминирующую роль играет в этом процессе последний фактор. Предполагается, что возможны сле­ дующие варианты: включение свободно контактирует с матрицей, передавая нагрузку сжатия, и локализует растягивающие усилия; сочленение включения с матрицей представляет границу типа спая; наконец, включение может быть когерентным с матрицей. Используя известные задачи для анализа концентрации напряже­ ний в случае пластинки с отверстием, контур которого подкреплен жестким ядром, частично подкреплен и свободен [147], Г. А. Ба­ рышев приходит к выводу, что повышение коэффициента концен­ трации напряжений возле неметаллического включения в процессе

127

нарушение когерентности связано в первую очередь с пластиче­ ской деформацией.

В обстоятельном исследовании [151] формулируется критерий декогезии на поверхности раздела между включением и матрицей в зависимости от критической пластической деформации, размера включения и его формы: сферической, дискоили нитеобразной, а также в связи с энергией образца до и после нарушения когерент­ ности. Как и в предыдущих исследованиях, пластическая деформа­ ция органически необходима, чтобы возникла несплошность на поверхности раздела для включений, меньших одного микрона. При этом необходимая деформация обратно пропорциональна корню квадратному из размера включения, т. е. диаметра для сферы, нити и диска. Оказывается, и приложенное напряжение способствует когезии. Допускается поэтому, что в рамках чисто упругой задачи возможно нарушение когерентности для доста­ точно больших включений в отсутствие собственно пластической деформации.

Образование полостей у концов эллиптического включения, находящегося внутри растягиваемой пластины, проанализиро­ вали Хуссейн, Бу и Садовский [152]. Показано, что, когда окру­ жающий волокно-включение материал подвергается растяжению в направлении волокна, граница между матрицей и волокном на­ рушается из-за высокой концентрации напряжений у конца по­ следнего. Концы волокна, не находящиеся в контакте с матрицей, перестают выполнять свое назначение в композитном материале и, что существенно, эквивалентны участкам нарушения когерентности и зародышевым микротрещинам.

128

В дальнейших исследованиях [153] Хуссейн и Бу рассмотрели проскальзывание кругового включения по отношению к матрице. Граница раздела между включением и внешней средой представ­ ляется состоящей из зоны жесткого сцепления, зоны проскальзы­ вания и разрыва границы раздела. Были определены размеры этих областей; показано, что величина зоны проскальзывания зависит от коэффициента трения.

Приведенное выше, по-видимому, может иметь непосредствен­ ное отношение и к процессу усталости, при котором неметалличе­ ское включение оказывается очагом развития локализованных про­ цессов пластической деформации. Эти процессы эволюционируют в несколько стадий, в частности происходят обратимая деформация, проявляющаяся в виде полосы скольжения, но исчезающая при снятии нагрузки, и обычное скольжение. Типичная диаграмма развития процессов микропластического деформирования около неметаллических включений приведена на рис. 50. Явления такого рода и обусловливают, вероятно, нарушение когерентности вклю­ чений в матрице стали.

6. НЕМ ЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮ ЧЕНИЯ И ПРОЧНОСТЬ СТАЛИ

Согласно решению Мусхелишвили [115], в окрестностях вклю­ чения существуют достаточные сдвиговые напряжения для работы дислокационных источников:

(IV. 12)

где а_! и р_3 — коэффициенты;

г и 0 — полярные координаты точки в районе включения; р, и pi —- модули сдвига матрицы и включения.

Известно несколько механизмов образования дислокаций на металлических включениях [137]. Существенно то, что независимо от конкретного механизма не вызывает сомнения принципиальная возможность зарождения дислокационных источников в процессе кристаллизации на границе между включением и металлом.

Что касается работы источников и распространения пластиче­ ской деформации от включения, то этот процесс должен контроли­ роваться протяженностью и величиной упругого поля включения. Это обстоятельство позволяет найти минимальный размер включе­ ния, которое способно вызвать сосредоточенное пластическое те­ чение. Схематически процесс рассматривается следующим образом [154].

Периметр включения — чередующиеся дислокационные источ­ ники типа, скажем, Франка—Рида длиной /. В процессе нагруже-9

ния образца вокруг включения возникают касательные напряже­ ния, степень локализации которых растет с уменьшением диаметра включения. Представляется совершенно необходимым, чтобы ли­ нейная протяженность упругого поля во всяком случае превышала размеры источника Франка—Рида. Лишь при выполнении этого условия этот источник способен генерировать петли, в противном случае он будет деформироваться лишь упруго. Полагая /* = # -} - + /, из соотношения (V. 12) находим критический размер неметал­ лического включения

где

и оксидного типа в стали СтЗ и в кремнистом железе (рис. 51) уста­ новлено уменьшение протяженности пластически деформирован­ ной зоны с размером включения. Тем не менее эти результаты не позволяют достаточно корректно определить критический размер, так как он оказывается меньше толщины фотоупругого покрытия

или весьма близким к ней по величине. Очевидно, в случае статического нагруже­ ния в области умеренных деформаций неме­ таллические включения размером, меньшим критического, абсолютно не опасны, так как не вызывают пластической деформации, а сле­ довательно, ни при каких обстоятельствах не могут привести к образованию трещины.

Вэтих случаях не представляют опасности

ибольшие включения (порядка 100 мкм), ко­ торые, хотя и образуют зону повышенных деформаций, не способны трансформировать

130