Деформации кристаллической

Именно дислокации являются основной причиной пластической деформации кристаллических тел (ковки, штамповки и прокатки). Начавшаяся пластическая деформация, сопровождающаяся в конечном счете изменением формы и размеров объекта, резко затормаживает рост напряжений, которые не могут достигнуть теоретического уровня в процессе всей деформации вплоть до разрушения.

В роботе для объяснения возникновения днсошштиваых структур типа вихревых и условий их существования предложена модель пластической деформации кристаллических твердых тел в условиях высоких гидростатических давлений, основанная на щигдстпвллвият синергетики с привлечением теории еист*»». В данной модели воли>

Таким образом, характер и кинетика проявления структурных и энергетических особенностей пластической деформации кристаллических материалов вблизи поверхности могут существенно изменяться на различных стадиях деформационного упрочнения, постепенно переходя от более облегченных параметров пластического течения к более затрудненным, к барьерному эффекту поверхности.

Различные используемые модели материала [32] являются частными случаями представленной модели. Так, упругая ячей-ка используется для описания деформации кристаллических материалов при напряжениях, не превышающих предел текучести.

Значительное развитие процесса пластической деформации кристаллических тел возможно только путём скольжения.

Таким образом, характер и кинетика проявления структурных и энергетических особенностей пластической деформации кристаллических материалов вблизи поверхности могут существенно изменяться на различных стадиях деформационного упрочнения, а также в зависимости от условий деформации, вида нагружения, состояния поверхности образца, типа среды, постепенно переходя от

Рнс. ^8.7. Схема деформации кристаллических (а) я аморфных (б) металлов:

Вид диаграмм деформации кристаллических и аморфных металлов и изменения формы образца при растяжении вплоть до разрушения схематично показан на рис. 8.8. В случае кристаллических металлов обычно наблюдается значительное деформационное упрочнение, при этом после достижения предела текучести деформация распространяется за счет одновременного протекания скольжения в различных частях образца. При напряжениях, превышающих предел текучести, пластическая деформация и необходимое для ее протекания напряжение существенно возрастают — происходит упрочнение. После достижения максимума напряжений в образце происходят явления, вызывающие локальное сужение (образование шейки) и уменьшение напряжения вплоть до разрушения образца. В случае же аморфных металлов, как материалов, не претерпевающих деформационного упрочнения, максимальное напряжение, достигаемое с ростом деформации, равно пределу текучести, после чего происходит скольжение путем перемещения групп атомов в направлении максимального касательного напряжения. Однако, поскольку при скольжении деформационное упрочнение отсутствует, деформация начинается и развивается в одной и той же части образца, а именно в плоскости максимального Касательного напряжения. В этой же плоскости происходит и разрушение. Вследствие крайне неоднородной по образцу деформации диаграммы де-

Принцип структурного соответствия (Конобеевский, Баррет, Данков) заключается в том, что превращение в анизотропной среде развивается так, чтобы конфигурация атомов исходной твердой фазы близко сохранялась и в новой фазе. При этом кристаллическая решетка последней сопрягается с кристаллической решеткой исходной фазы подобными кристаллографическими плоскостями с малым различием в параметрах. Возможность ориентированного роста определяется соотношением между величиной энергии деформации AFE, необходимой для приведения новой фазы к размерному соответствию, и выигрышем в поверхностной энергии A-Fg. Если работа образования трехмерного зародыша независимо ориентированной структуры будет больше, чем энергия деформации, то будет иметь место сопряжение решеток. При этом новая или исходная структура будет деформирована. В противном случае, т. е. когда энергия деформации кристаллических решеток слишком велика, энергетически выгодней образование независимо ориентированного зародыша.

Схема работы источников дислокационных петель и взаимодействие дислокаций с препятствиями позволяют подойти к объяснению микромеханизма неупругой деформации кристаллических тел. Она кинематически невозможна при растяжении или сжатии кристаллической решетки и возникает, как правило, при относительном скольжении атомных плоскостей под действием касательных напряжений. Это скольжение происходит преимущественно по направлениям, в которых расстояния между атомами в кристаллической решетке являются наименьшими, так как сила Пайерлса т* в таком направлении является наименьшей. Совокупность плоскости и направления скольжения называют системой скольжения.

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов XX века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

Особый интерес представляют условия образования твердых растворов замещения, в которых железо играет роль растворителя. И. И. Корнилов установил связь между растворимостью элементов в железе и их ионными диаметрами: атомный диаметр растворимого элемента должен отличаться от атомного диаметра железа не более чем на 8—15%. Только при этих условиях не происходит значительной деформации кристаллической решетки растворителя и изменения характера связи. Если это различие не превышает 8%, то образуются непрерывные твердые растворы; если различие составляет 8—15%, то образуются ограниченные твердые растворы. Так, например, хром, с атомным диаметром, отличающимся от железа не более чем на 1,5%, дает с ним непрерывный ряд твердых растворов; молибден, отличающийся от железа по атомному диаметру на 10%, ограниченно растворяется в железе; еще меньше растворяется вольфрам и т. д. Отмеченные закономерности в отношении растворимости элементов в железе распространяются и на некоторые другие элементы.

Процессы деформации кристаллической структуры, зарождения и развития дефектов сопровождаются изменением электрофизических свойств металла конструкций. Следовательно, каждая стадия процесса деформирования-разрушения металла оборудования в условиях действия сжимающих и растягивающих усилий, температуры, магнитного поля может быть охарактеризована совокупностью электрофизических параметров, значения которых могут быть измерены. Поэтому для решения проблемы оценки текущего состояния и прогнозирования остаточного ресурса конструкций могут быть использованы связи между электрофизическими свойствами и определяющими уравнениями твердого тела. Установление этих связей позволяет оценивать текущие механические свойства элементов конструкций по измеренным электромагнитным параметрам, а затем, используя расчетный аппарат механики разрушений, осуществить прогноз долговечности любого элемента конструкции. Электромагнитные методы, в отличие от других физических методов неразрушаюшего контроля, направленных на поиск развитых дефектов, позволяют осуществлять раннюю диагностику, выявляя участки металлических конструкций, наиболее предрасположенных к повреждениям.

Процессы деформации кристаллической структуры, зарождения и развития дефектов сопровождаются изменением электрофизических свойств металла конструкций. Следовательно, каждая стадия процесса деформирования-разрушения металла оборудования в условиях действия сжимающих и растягивающих усилий, температуры, магнитного поля может быть охарактеризована совокупностью электрофизических параметров, значения которых могут быть измерены. Поэтому для решения проблемы оценки текущего состояния и прогнозирования остаточного ресурса конструкций могут быть использованы связи между электрофизическими свойствами и определяющими уравнениями твердого тела. Установление этих связей позволяет оценивать текущие механические свойства элементов конструкций по измеренным электромагнитным параметрам, а затем, используя расчетный аппарат механики разрушений, осуществить прогноз долговечности любого элемента конструкции. Электромагнитные методы, в отличие от других физических методов неразрушаюшего контроля, направленных на поиск развитых дефектов, позволяю! осуществлять раннюю диагностику, выявляя участки металлических конструкций, наиболее предрасположенных к повреждениям.

ческих свойств ВеО происходит в результате образования газов при облучении и анизотропной деформации кристаллической решетки. Это

Один из способов избыточного получения точечных дефектов в металле состоит в резком охлаждении его (закалке). Другой способ создания избыточных дефектов заключается в сильной деформации кристаллической решетки, например ковкой или прокатыванием. Их можно также получить в результате -бомбардировки металла атомами или частицами с высокой энергией.

За критерий структурных изменений принималась истинная (физическая) ширина линий на рентгенограмме р, которая для чистых металлов и равновесных твердых растворов является результирующей средней величины блоков и дисперсии* упругой деформации кристаллической решетки (микронапряжений) и служит характеристикой плотности содержащихся в металле дислокаций (р = ЛР2, А — константа материала).

В книге С. Е. Вяткина и др. [151] приведены данные о связи накопленной энергии с положением атомов в кристаллической решетке. Отмечается, что в первом приближении количество накопленной энергии может быть рассчитано из величины деформации кристаллической решетки облученного графита:

Рис. 18.6* Кривые изменения параметра а кристаллической решетки по глубине зоны деформации меди при трении о сталь в среде глицерина:

4. Структуру пленки изучали [37] с помощью специально разработанного метода «скользящего пучка» рентгеновских лучей. Луч направляли к поверхности под малым углом (не более 1°), что позволяло исследовать поверхностные слои толщиной 0,1—0,01 мкм. Исследования показали, что верхний слой пленки имеет значительные структурные изменения по сравнению с нижележащими слоями. За критерий структурных изменений принимали истинную (физическую) ширину линий на рентгенограммах 3, которая для чистых металлов и равновесных твердых растворов является результирующей средней величины блоков и дисперсий упругой деформации кристаллической решетки (микроискажеьий) и служит характеристикой плотности содержащихся в металле дислокаций.

Тепловое и механическое воздействия на тело приводят к изменению рис 2л расстояний между ионами и к деформации кристаллической решетки. Так как ионы в решетке взаимодействуют, главным образом, со своими ближайшими соседями, для выяснения влияния этих воздействий с качественной стороны достаточно рассмотреть поведение лишь одной пары ионов в линейной цепочке.

На упрочнение твердого раствора влияет также снижение температуры у —* а-превращения. Чем больше легирующие элементы снижают эту температуру, тем интенсивнее протекают процессы деформации кристаллической решетки и дробления блоков структурной мозаики (фазовый наклеп). Так, легирование марганцем, хромом, никелем сильно снижает температуру 7 7^- а-превращения, в результате чего значительно упрочняется твердый раствор и заметно повышается эрозионная стойкость многих сталей.