Реферат: Сверхпластичность

В результате высокочувствительных измерений деформаций было отмечено, что у многих материалов небольшая пластическая деформация (порядка ) наблюдается при напряжениях, значительно меньших обычного напряжения макроскопической текучести. Поскольку эта пластическая деформация должна быть связана с движением дислокаций, правомерно считать, что микродеформация должна зависеть от динамических свойств дислокаций и следовать тем же законам, которые действительны в области макродеформаций. Таким образом, нет необходимости создавать отдельные объяснения пластического течения перед макроскопической текучестью и после нее.

Важно отметить, что для проявления микродеформации требуются подвижные дислокации. В частности для железа это означает, что для обеспечения поступления свежих (незакрепленных) дислокаций необходима предшествующая деформация. Если образец испытывают в отожженном состоянии, то его поведение оказывается совершенно упругим почти до верхнего предела текучести, вследствие закрепления источников дислокаций примесями внедренных атомов. Предполагается, что если бы материалы были в достаточной мере чистыми, то для наблюдения микропластичности предварительная деформация не нужна.

Двумя основными параметрами микродеформации являются и (предел упругости и предел неупругости).

Предел упругости может быть определен как напряжение, при котором обнаруживается первое отклонение от линейного упругого поведения. Его обычно принимают равным напряжению, при котором наблюдается петля гистерезиса в результате испытания посредством нагружения - разгрузки, или же - напряжению, при котором зависимость площади петли от приложенного напряжения экстраполируется к нулевой площади. Данные обоих этих методов обычно совпадают совпадают в пределах ошибки эксперимента. При соответствующих экспериментальных условиях значение может быть связано с напряжением трения. Напряжение трения это такое напряжение, которое необходимо для того, чтобы продвинуть наиболее подвижные дислокации через ближнедействующие энергетические холмы в решетке. Это движение в большей или меньшей мере облегчено термическими флуктуациями в зависимости от требуемой в каждом данном случае энергии активации.

Составы исследуемых сталей

Материал	C+N, % (по массе)	Другие компоненты, %
F5	0,006	¾
F4	0,035	¾
Fe-Ti	0,018	0,15 Ti
Fe-Si	0,001	3,10 Si

Изменение с темпера-турой для железа различного состава показано на рис. 1. Эти эксперименты проведены на поликристаллическом железе с размером зерна около 0,5 мм, за исключением сплава Fe-Si, имеющего размер зерна около 2 мм. Экспериментов по микроде-формации монокристаллов же-леза не проводили.

Дислокационный механизм, связанный с обратимым пластическим течением, которое первоначально наблюдается при , определен как изгиб петли вследствие движения перегибов на краевых дислокациях.

Такое заключение подтверждает то, что краевые дислокации имеют намного меньшее напряжение Пайерлса, чем винтовые и, таким образом, они будут двигаться первыми при более низких напряжениях, особенно при низких температурах.

Рис. 1. Изменение от температуры для железа различного состава, предварительно деформи-рованного при комнатной температуре: 1 - Fe-Si (вверху) и F4 (внизу) охлаждение с печью; 2 - F4 закалка и старение при 60° С в течение часа; 3 - F5 охлаждение с печью и закалка; 4 - данные Коссовского и Брауна.

Первоначально принимали, что если соответствует начальному движению перегибов на краевых дислокациях, то характеризует напряжение, необходимое для того, чтобы сдвинуть винтовые дислокации. Позднее было показано, что для железа при 77°К действительно представляет собой напряжение, при котором дислокационные петли необратимо расширяются в результате движения на большие расстояния очень больших отрезков краевых дислокаций.

Рис. 2. Сравнение кривых микродеформации, полученных при последовательных циклах нагружения при 77°К для железа F5, предварительно деформированного на 3,5 % при комнатной температуре.

Краевые компоненты дислокаций при низких температурах могут легко передвигаться на довольно большие расстояния, оставляя позади себя следы из относительно неподвижных винтовых дислокаций. Приток краевых дислокаций быстро исчерпывается, что приводит к значительному уменьшению пластической деформации, когда образец нагружен до уровня, лежащего выше , а затем снова нагружен, как это показано на рис. 2. Этот эффект называется упрочнение исчерпанием.

Измерение и является весьма простым способом определения влияния примесей, выделений и легирующих элементов. Движение краевых дислокаций представляет собой простой случай, поскольку оно не связано с поперечным скольжением и в чистых металлах характеризуется очень слабой температурной зависимостью. Следовательно, не возникает затруднений при отделении эффектов связанных с влиянием состава, от других конкурирующих явлений, как это происходит при движении винтовой дислокации.

Далее рассмотрим условия образования замкнутых петель гистерезиса, так как оно играет важную роль в экспериментах нагружение - разгрузка по измерению микродеформации.

Анализ замкнутых петель гистерезиса в экспериментах по микродеформации основан на предположении, использованном для объяснения гистерезиса в координатах в области макропластической деформации. Это предположение может быть использовано для микроскопического масштаба с помощью преобразования максимального значения флуктуации поля внутренних напряжений и обратного напряжения, создаваемого дислокационными плоскими скоплениями у препятствий, в - эффективную высоту ближнедействующих холмов напряжений (решеточное трение) и (которое сохраняет свой первоначальный смысл) соответственно. Далее можно показать, что для наблюдения замкнутых петель гистерезиса необходимы специальные условия. Можно принять, что в отожженных образцах имеется некоторая плотность подвижных (то есть незакрепленных) дислокаций и что все дислокации подвержены воздействию одного и того же упругого дальнедействующего напряжения .

Следует помнить, что представляет эффективное напряжение трения, то есть термическая активация может помогать дислокациям преодолевать ближнедействующие барьеры, так что наблюдаемое значение должно зависеть от температуры и скорости нагружения. Однако в дальнейших рассуждениях мы примем, что плотность подвижных дислокаций постоянна и, таким образом, скорость пластической деформации пропорциональна скорости дислокаций. Кроме того, отметим, что разность между приложенным напряжением и равна .

Если отожженный образец нагружен до <, то наблюдается линейное поведение (рис. 3, а). Если же он нагружен до <<, то после разгрузки наблюдается остаточная деформация (рис.3, а). Для того, чтобы образовать замкнутую петлю в координатах этот образец следует нагружать сжатием.

Рис. 3. Схематические кривые в координатах , показывающие условия образования замкнутых петель.

Рассмотрим следующий случай (рис. 3, б). Отожженный образец нагружается до > и затем разгружается. Получающаяся при этом кривая изображена сплошной линией. Если предварительно деформированный образец теперь снова нагрузить до > и разгрузить до =0, то получится замкнутая петля. Роль предшествующей деформации состоит в том, чтобы создать обратные напряжения вокруг дислокаций, равные или большие ; это означает, что дислокации начнут двигаться, как только будет достигнуто напряжение . Предел упругости предварительно деформированного образца теперь и он уже будет оставаться таким независимо от величины полученной деформации.

В настоящее время фактически все эксперименты в области микродеформации проводят в условиях, предусматривающих предварительную деформацию, для того, чтобы достичь некоторого выравнивания. Это несколько изменяет условия образования замкнутых петель, как показано на рис. 3, в. Предположим, что образец предварительно достаточно деформировандля получения замкнутой петли, начиная и заканчивая при =0. Предположим условное предварительное напряжение и получим замкнутые петли в новых координатах . Первые два испытания, начинающиеся от , приводят к получению остаточной деформации, а третье - дает замкнутую петлю. Теперь повысим до , которое представляет минимальное напряжение, требующееся для того, чтобы попасть в точку p‘ , лежащую на пересечении исходной петли гистерезиса с новой осью деформации . Если в данном случае образец нагружают циклически до напряжений в диапазоне от
до , то все равно будут получаться замкнутые петли гистерезиса, если мы будем возвращаться к новому «нулевому» напряжению . Если нужно изменить «нулевое» напряжение, то снова следует пройти через аналогичный последовательный переход к замкнутым петлям.

Интересно заметить, что всегда можно измерить , если оно существует, независимо от предварительного нагружения, до тех пор покапредварительная нагрузка ниже .

Рассмотрев некоторые параметры, служащие для описания микродеформации, перейдем к рассмотрению эффектов, которые могут быть описаны с использованием микродеформации.

Роль величины зерна. Многие теории влияния величены зерна на макроскопический предел текучести рассматривают образование скоплений дислокаций у границ зерен. Плоское скопление дислокаций вызывает концентрацию напряжений, причем коэффициент концентрации пропорционален квадратному корню из длины скопления. Теоретические данные предсказывают, что в соответствии с результатами экспериментов:

где d - диаметр зерна. Теория может быть проверена более детально с помощью измерений микродеформации, связанной с образованием плоских скоплений дислокаций.

Рис. 4. Кривые деформации железа, полученные при непрерывной записи, показывающие влияние размера зерна на начальную часть кривой. Испытания при комнатной температуре. Диаметр зерна: 1 - 0,044 мм; 2 - - 0,074; 3 - 0,111; 4 - 0,14

Рис. 5. Квадратичная зависимость между напряжением и пластической деформацией для железа при различном размере зерна. Диаметр зерна: 1 - 0,044 мм; 2 - 0,074; 3 - 0,111; 4 - 0,14

Было показано, что предшествующая текучести микродеформация связана с приложенным напряжением соотношением

где - микропластическая деформация;

- напряжение генерации дислокаций от источника внутри зерна;

- приложенное напряжение;

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--