Деформировании микрообъемов

В отличие от жесткости режима деформирования при мягком нагружении значительную роль приобретает одностороннее накопление пластических деформаций, вызванное так называемым SD эффектом. Под SD эффектом понимается различное поведение материала при растяжении и сжатии. Это различие состоит в том, что при деформировании материала сжатием требуются, как правило, более высокие напряжения, чем при деформировании растяжением. Количественно SD эффект определяется по кривым о— е при испытании на растяжение и сжатие и выражается в виде а=асж — ар, где стсж и ар — соответственно напряжения течения при сжатии и растяжении образца при одной и той же величине деформации е.

Остаточные напряжения и наклеп, возникающие при пластическом деформировании материала, в частности, как результат механической обработки, в свою очередь ускоряют процесс разупрочнения [42, 83]. Для повышения работоспособности поверхностного слоя и детали в целом в ответственных случаях стремятся свести к минимуму механическую обработку, проводя термическую обработку в вакууме или в защитных средах или даже отказываясь от высокотемпературной обработки, используя защитные покрытия при деформировании изделий [94], применяя литье в вакууме бесприпусковых деталей и т. д.

Рис. 1. Изменение сигналов напряжения и деформации при неупругом циклическом деформировании материала (а) и динамическая петля гистерезиса (б).

данных, относящихся к высоким и низким частотам, и выяснением степени различия между этими данными. Для многих металлов и сплавов (сталей никелевых, алюминиевых, титановых и др.) и неметаллов (стекло, керамика, ситаллыидр.) поверхностный анализ усталостных изломов и кривых усталости, полученных на высоких частотах нагружения, может не выявить рассматриваемого различия. Это закономерно, поскольку при высокочастотном деформировании материала усталостная трещина имеет все основные, характерные для низкочастотного нагружения, признаки, а ориентация зарождающихся и распространяющихся усталостных трещин для широкого диапазона частот не изменяется по отношению к направлению действия максимальных

0т, ет — напряжение и деформация на пределе текучести; Рь Ра, ••• —параметры структурного состояния материала; М, Мя — модули упрочнения и деформационного упрочнения (без учета временных процессов) при пластическом деформировании материала; R — модуль разупрочнения;

Рассеяние энергии колебаний при пластическом деформировании материала приводит к быстрому затуханию амплитуды колебаний и приближению напряженного состояния в материале образца к равновесному. Длительность нарастания нагрузки на образец, соответствующая периоду радиальных колебаний, определяет предельную скорость деформирования, при которой допустимо не учитывать радиальную инерцию.

Момент потери устойчивости при пластическом деформировании материала определяется его модулем упрочнения. Действительно,

ния. Различие адиабат при нагрузке и разгрузке (перемена знака деформирования ведет к удвоенной амплитуде упругой волны) при упруго-пластическом деформировании материала нарушает закон удвоения скорости за фронтом волны нагрузки, отраженной от свободной поверхности: скорость поверхности несколько ниже скорости соударения пластин, что экспериментально подтверждено для алюминиевого сплава [163]. Пренебрегая эффектом Баушингера, «дефект», скорости можно определить по величине упругого предвестника. Аналогичная картина имеет место при выходе упруго-пластической волны на тыльную поверхность ударяющей пластины.

При упруго-пластическом деформировании материала встреча волн разгрузки (характеристики С+ и С- на рис. 107, а) приводит к широкой зоне взаимодействия. Возмущение, обусловленное нарушением сплошности материала, достигает свободной поверхности быстрее всего от области разрушения, лежащей на последней С-характеристике. Разгрузка слева нарушается появлением разрушения и, следовательно, характеристика ВВ\, проходящая через еще не разрушенный материал, ограничивает область неискаженной разгрузки. Откольный импульс нагрузки от поверхности откольного разрушения повышает массовую скорость вблизи поверхности разрушения в области выше характеристики ВВ2, в то время как на свободной поверхности вследствие различия в скорости распространения пластической разгрузки и упругой нагрузки (откольного импульса) последний смещается относительно волны разгрузки (рис. 109). Время смещения Д/ = 60тк(1/яп— —L/OO) (а„ и а0 — скорость распространения пластической разгрузки

Вследствие практической невозможности регистрации нагрузки в области откольного разрушения информация о деформировании материала и кинетике его разрушения получается в результате анализа волновых процессов, основанного на регистрируемой диаграмме изменения скорости свободной поверхности или давления на границе раздела исследуемого материала с материалом меньшей акустической жесткости. В связи с этим принятая для анализа модель механического поведения и разрушения материала и метод аналитической обработки оказывают существенное влияние на получаемые из экспериментальных исследований результаты, а имеющиеся в литературе данные о силовых и временных характеристиках сопротивления материала откольному разрушению неразрывно связаны с методами их определения. Выбор в качестве определяющих параметров различных величин исключает возможность сопоставления экспериментальных результатов и ведет к получению количественно и качественно противоречивых выводов. Это снижает информативность таких исследований и затрудняет их использование для практических расчетов.

наблюдаться биения колебаний только при разной частоте сеток либо при их взаимном повороте. Далее будем рассматривать только статическую интерференцию (типа биения), связанную с изменением характеристик одной из сеток при деформировании материала. При такой интерференции (наложении друг на друга двух периодических систем) появляется характерная интерференционная картина муаровых темных и светлых полос. Вместе с тем рассмотренное выше плоско-параллельное перемещение сеток одинакового шага, хотя

усталостное изнашивание, происходящее в результате усталостного разрушения (отслаивания и выкрашивания) при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Усталостное изнашивание может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения.

При деформировании микрообъемов аустенита происходит его распад с образованием мартенсита и упрочняющих фаз, вследствие чего его сопротивление разрушению возрастает. Образование новых фаз в аустенитных сталях в результате микроударного воздействия обнаруживают рентгеноструктурным анализом.

аустенита. Это объясняется главным образом тем, что хромомар-ганцовый аустенит менее устойчив и обладает значительной склонностью к распаду при деформировании микрообъемов стали.

Характер разрушения армко-железа определяется строением его кристаллической решетки и тонкой структурой, определяющими способность металла оказывать сопротивление разрушению микрообъемов. Известно, что способность металла к деформации зависит в основном от строения кристаллической решетки и наличия плоскостей с плотным расположением атомов. В поликристаллических металлах при деформировании микрообъемов сильно проявляются индивидуальные свойства решетки, так как процесс пластической деформации протекает иначе, чем в монокристалле. В поликристаллических металлах на развитие сдвиговых процессов оказывают влияние соседние зерна, поэтому сдвиги происходят по плоскостям с плотным расположением атомов и по плоскостям, благоприятно ориентированным относительно действующей силы.

Высокомарганцевые стали, имеющие структуру аустенита, обладают большой склонностью к наклепу. Так, твердость высокомарганцевых сталей аустенитного класса может быть повышена в результате холодной деформации с НВ 180—200 до НВ 450—600. В процессе микроударного воздействия эти стали наклёпываются, в результате чего происходит своеобразное самоупрочнение аустенита при деформировании микрообъемов металла, и сопротивление гидроэрозии возрастает.

При содержании марганца от 10 до 20% образуется е-фаза с гексагональной плотно упакованной решеткой. В этой области высокомарганцевые стали обладают повышенной эрозионной стойкостью. При дальнейшем увеличении содержания марганца могут быть получены твердые растворы у—Fe и у—Мп, однако эрозионная стойкость этих сплавов не повышается. Сопротивление марганцевого аустенита микроударному разрушению, как и никелевого аустенита, в значительной степени зависит от его устойчивости при деформировании микрообъемов. Нестабильный марганцевый аустенит, мартенситная точка которого находится в интервале температур от —20 до —60° С, обладает более высоким сопротивлением микроударному разрушению, чем стабильный аустенит с мартенситной точкой, лежащей ниже —60° С. Измерение поверхностной твердости показало, что твердость поверхностного слоя образцов из хромомарганцевой стали со структурой нестабильного аустенита увеличивается в результате микроударного воздействия на 320—350 единиц НВ по сравнению с исходной твердостью, а образцов сталей, имеющих структуру стабильного аустенита,— всего лишь на 100—150 единиц НВ.

Результаты металлографических исследований показывают, что в хромомарганцевом аустените сдвиговые процессы развиваются в основном в теле зерна (см. рис 76). При деформировании микрообъемов появляются линии скольжения, которые при дальнейшем испытании переходят в микротрещины. Число линий скольжения в нестабильном аустените значительно меньше, чем в стабильном. Это свидетельствует о наличии упрочняющих фаз, выделяющихся по плоскостям скольжения и затрудняющих сдвиговые процессы в нестабильном аустените.

Исследования показали, что сопротивление аустенитных сталей микроударному разрушению в значительной степени определяется природой легирующих элементов и содержанием углерода [12, 47, 54]. Разные легирующие элементы при различном их содержании в стали могут образовывать аустенит с различными свойствами, которые прежде всего проявляются в степени его стабильности и склонности к упрочнению при деформировании микрообъемов стали. Ранее показано, что в условиях микроударного воздействия в процессе пластической деформации микрообъемов аустенита происходит его частичный распад с образованием мартенситной фазы. В этом случае значительно повышается сопротивление стали микроударному разрушению. Однако для некоторых аустенитных сталей это явление проявляется слабо. Стали со стабильной структурой аустенита разрушаются быстрее, чем стали с нестабильной структурой. Устойчивость аустенита зависит от состава стали и природы легирующих элементов. Например, никелевый аустенит более устойчив, чем марганцевый.

легирующих элементов и термической обработки. Получение гомогенной структуры в процессе аустенизации приводит к укреплению границ зерен и повышению эрозионной стойкости стали по сравнению со стойкостью стали в литом состоянии. Длительный отпуск при температуре 700— 750° С обычно вызывает коагуляцию избыточных выделений по границам зерен и приводит к снижению эрозионной стойкости стали. Наиболее высокой эрозионной стойкостью обладают стали типа 20Х16Г14НЗАФ,,25Х14Г8Т и 15Х17АП4 (рис. 117). Структура этих сталей в литом состоянии состоит преимущественно из аустенита. После аустенизации при 1100—1160° С и охлаждении в воде их структурная однородность заметно повышается. Стали с такой композицией легирующих элементов проявляют склонность к упрочнению при деформировании микрообъемов и обладают повышенным внутренним трением. Эти особенности аустенитных сталей проявляются главным образом при 'определенном содержании в их составе марганца и углерода (сталь 25Х14Г8Т). Аустенитные стали с повышенным содержанием

Хромоникелевые аустенитные стали типа 12Х18Н9Т имеют сравнительно низкую эрозионную стойкость, так как не отличаются большой склонностью к упрочнению в процессе микроударного воздействия. При деформировании микрообъемов этих сталей аустенит распадается с образованием а фазы преимущественно ферритного типа, поэтому твердость поверхностного слоя увеличивается незначительно (см. рис. 120). Эрозионная стойкость этой стали после закалки повышается незначительно (см. рис. 117).

с образованием фаз мартенситного типа. Например, сталь Г13 благодаря высокому содержанию углерода отличается большой склонностью к наклепу при деформировании микрообъемов. Однако аустенит этой стали устойчив и недостаточно распадается при микроударном воздействии. Упрочнение стали Г13 при деформировании микрообъемов происходит в основном за счет процессов, связанных с явлением наклепа, а не за счет образования упрочняющих фаз; поэтому сталь ПЗ не отличается высокой эрозионной стойкостью как в литом состоянии, так и после термической обработки.