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 σт.в , затем происходит относительно резкий спад напряжений до σт.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

Статическое растяжение

Машина для испытаний на растяжение с электромеханическим приводом

Статическое растяжение — одно из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов.

Основные характеристики, определяемые при испытании[править | править код]

При статическом растяжении, как правило, определяются следующие характеристики материала.

• Характеристики прочности:
  • предел пропорциональности,
  • предел текучести,
  • предел прочности (временное сопротивление разрушению),
  • истинное сопротивление разрыву.
• Характеристики пластичности:
  • относительное остаточное удлинение,
  • относительное остаточное сужение.
• Характеристики упругости:
  • модуль упругости (модуль Юнга).
• Прочие характеристики:
  • коэффициент механической анизотропии
  • коэффициент (модуль) упрочнения

Основные типы материалов[править | править код]

Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие состоит в том, что первые деформируются в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (lк − l0)/l0, где l0 и lк — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответствии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:

• пластичные (δ ≥ 10 %);
• малопластичные (5 % < δ < 10 %);
• хрупкие (δ ≤ 5 %).

Существующие материалы могут быть изотропными или анизотропными. В последнем случае из-за различия характеристик в различных направлениях необходимо произвести не одно, а несколько испытаний.

Образцы для испытаний на статическое растяжение[править | править код]

Цилиндрический пятикратный образец

Цилиндрический пятикратный образец после разрушения

Для испытаний на статическое растяжение используют образцы как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры.

Образцы круглого сечения, как правило, имеют рабочую длину, равную четырём или пяти диаметрам — т. н. короткие образцы или десяти диаметрам — т. н. нормальные образцы. Перед началом испытания замеряется диаметр образца (обычно 6, 10 или 20 мм) для вычисления напряжения σ и для расчёта относительного остаточного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ — ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещениям конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.

Диаграмма растяжения пластичного материала[править | править код]

Рис. 1. Типичная диаграмма σ — ε для малоуглеродистой стали

1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)

2. Предел текучести (верхний)

3. Точка разрушения

4. Область деформационного упрочнения

5. Образование шейки на образце

Рис. 2. Типичная диаграмма σ — ε для алюминиевых сплавов

1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)

2. Условный предел текучести (σ0.2)

3. Предел пропорциональности

4. Точка разрушения

5. Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2 %)

Микроструктура доэвтектоидной стали (0,7 % углерода)

Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A0, где A0 — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l0 ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.

Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:

Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.

По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Холла-Петча:

После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 — 2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σВ) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» — область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).

Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 1 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций.

Для многих материалов, например, с Г. Ц. К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2. Основное отличие — отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2 % (σ0.2).

После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения σ) за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца. Соответствующий (последний) участок диаграммы называют зоной местной текучести, так как пластические деформации продолжают интенсивно развиваться только в области шейки.

Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S — e (истинное напряжение S = P/A, где A — текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = ln(l+Δl/l), где l — текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в «шейке» образца. Поэтому различие между диаграммами истинных и условных напряжений наблюдается только после предела прочности — до точки 1 они практически совпадают друг с другом.

Образцы из пластичного материала разрушаются по поперечному сечению с уменьшением диаметра в месте разрыва из-за образования «шейки».

Диаграмма растяжения хрупкого материала[править | править код]

Диаграмма растяжения и диаграмма условных напряжений хрупких материалов по виду напоминает диаграмму, показанную на рис. 2 за тем исключением, что не наблюдается снижения нагрузки (напряжения) вплоть до точки разрушения. Кроме того, данные материалы не получают таких больших удлинений как пластичные и по времени разрушаются гораздо быстрее. На диаграмме хрупких материалов уже на первом участке имеется ощутимое отклонение от прямолинейной зависимости между нагрузкой и удлинением (напряжением и деформацией), так что о соблюдении закона Гука можно говорить достаточно условно. Так как пластических деформаций хрупкий материал не получает, то в ходе испытания не определяют предела текучести. Не имеет особенного смысла также рассчитывать и относительное сужение образца, так как шейка не образуется и диаметр после разрыва практически не отличается от исходного.

Влияние скорости деформации и температуры на прочностные характеристики[править | править код]

Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 — 0,07 мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести) (источник???).

В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:

где — скорость деформации; — астотный фактор, — активационный объём; — напряжение течения; — экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации.

Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочности даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.

Стандарты на проведение испытаний[править | править код]

• ГОСТ 6996-66
• ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
• ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78) Пластмассы. Метод испытания на растяжение
• ASTM E-8 и ASTM E-8M

Литература[править | править код]

• Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. 3-е изд. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974
• М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.
• А. Н. Васютин, А. С. Ключ. Влияние температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию малоуглеродистых и низколегированных сталей. Заводская лаборатория, 1985, № 4.

См. также[править | править код]

• Растяжение-сжатие

Литература:

1. З.С. Смирнова, Л.М. Борисова, М.П. Киселева и др. Противоопухолевая активность соединения ЛХС-1208 (N-гликозилированные производные индоло[2,3-а]карбазола) // Российский биотерапевтический журнал 2010. № 1. С. 80.
2. Pund A. U., Shandge R. S., Pote A. K. Current approaches on gastroretentive drug delivery systems. Journal of Drug Delivery and Therapeutics. 2020; 10(1): 139–146. DOI: 10.22270/jddt.v10i1.3803.
3. А.В. Ланцова, Е.В. Санарова, Н.А. Оборотова и др. Разработка технологии получения инъекционной лекарственной формы на основе отечественной субстанции производной индолокарбазола ЛХС-1208 // Российский биотерапевтический журнал. 2014. Т. 13. № 3. С. 25-32.
4. https://studopedia.net/3_49104_tekuchest-metallov-faktori-opredelyayushchie-nalichie-zuba-tekuchesti.html.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5.
6. Guardia, «La Médecine à travers les âges».
7. Скориченко, «Доисторическая M.» (СПб., 1996); его же, «Гигиена в доисторические времена» (СПб., 1996).
8. З.С. Смирнова, Л.М. Борисова, М.П. Киселева и др. Противоопухолевая эффективность прототипа лекарственной формы соединения ЛХС-1208 для внутривенного введения // Российский биотерапевтический журнал. 2012. № 2. С. 49.
9. Daremberg, «Histoire des sciences médicales» (П., 1966).