Сверхпластичность

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.

(предел упругости и предел неупругости).

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

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.

, 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.

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.

, а затем снова нагружен, как это показано на рис. 2. Этот эффект
называется упрочнение исчерпанием.

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.

.

.

этот образец следует нагружать сжатием.

, показывающие условия образования замкнутых петель.

и он уже будет оставаться таким независимо от величины полученной
деформации.

. Если нужно изменить «нулевое» напряжение, то снова следует пройти
через аналогичный последовательный переход к замкнутым петлям.

.

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

- микропластическая деформация;

- напряжение генерации дислокаций от источника внутри зерна;

- приложенное напряжение;

d - диаметр зерна;

- плотность источников;

G - модуль сдвига;

B - постоянная величина, равная приблизительно 1/2. Уравнение основано
на следующих предположениях:

выстроившиеся в ряд дислокации генерируются источником внутри зерна;

выстроившиеся в ряд дислокации создают обратное напряжение, действующее
на источник, причем его величина пропорциональна числу дислокаций в
скоплении, которое в свою очередь обратно пропорционально диаметру
зерна;

- количество источников в единице объема постоянно и не зависит от
размера зерна.

-латунь не соответствуют приведенной выше теории и можно заключить, что
избранная модель не применима к этим материалам по следующим причинам:

дислокации могут генерироваться у границ зерен, как в случае сплава
Fe-Si;

внутризеренная субструктура может стать существенным препятствием для
скольжения и плоские дислокационные скопления с дальнодействующими
полями напряжений не могут образовываться у границ зерен.

Верхний и нижний пределы текучести. Существуют две точки зрения на
верхний и нижний пределы текучести. Одна основана на сильном закреплении
всех дислокаций и внезапном скачке деформации при генерации источников
или освобождении этих дислокаций. Другая основана на динамическом
размножении небольшого числа начальных дислокаций, которые сначала
движутся при низком напряжении и, соответственно, с низкой скоростью.

. Поведение этого материала подтверждает идею о связи верхнего придела
текучести с внезапной генерации большого числа дислокаций. Зуб текучести
(величина падения напряжения) - чувствительная функция соотношения между
действующим напряжением и скоростью дислокаций. В случае сильного
закрепления, вызванного выделением частиц карбида железа на исходных
дислокациях в стали со сфероидальной структурой, может получиться так,
что при достижении верхнего предела текучести будет происходить
генерация новых дислокаций, а не освобождение старых.

была мала, все данные рис. 6 получены для одного образца.

Рис. 6. Изменение микроскопического предела текучести и твердости
закаленной стали 4140 при отпуске. Закалка с 855(С:

1 - первая закалка; 2 - вторая закалка и охлаждение в жидком азоте;
пунктирные линии - макроскопический предел текучести

Интересно отметить, что предел микротекучести хрупкого мартенсита
закалки невысок. Был использован метод микродеформации для изучения
упрочнения мартенсита. Результаты показывают, что при очень высокой
плотности дислокаций в свежезакаленном мартенсите они первоначально
подвижны, но движущиеся дислокации быстро затормаживаются в области
микродеформаций из-за высокой концентрации растворенного углерода.
Максимум прочности при 220(С связан с блокированием дислокаций частицами
карбида железа.

Торможение точечными дефектами. Точечные дефекты, возникающие при
пластической деформации, отжигаются, причем имеется несколько стадий
процесса (I - V) как показано на рис. 7. Механизм стадии II является в
значительной мере неопределенным. Стадия III, вероятно, является
следствием движения атомов внедрения к вакансиям и их аннигиляции;
стадия IV - следствие движения вакансий к стокам, таким как дислокации
или другие вакансии; аннигиляция дислокаций происходит на стадии IV.
Некоторые исследователи связывают стадию III c движением дивакансий.
Какой бы ни была природа точечных дефектов на любой стадии, они будут
взаимодействовать с дислокациями и закреплять их. Измерение напряжения
освобождения дислокаций покажет прочность закрепления. Так как
закрепление слабое, а освобождение происходит при малых пластических
деформациях, измерить этот эффект при макроскопическом эксперименте
невозможно, потому что дислокации освобождаются до того, как наблюдается
макроскопический предел текучести. На рис. 8 показан эффект закрепления
точечными дефектами.

Рис. 7. Стадии возврата холоднодеформированного никеля высокой чистоты
по данным измерений электросопротивления в течение 1 (1) 10 (2) и 20 мин
(3)



Рис. 8. Данные по микродеформации никеля, очищенного зонной плавкой,
подвергнутого ударной деформации и отжигу: 1 - после ударной деформации
(70 кбар); 2 - после отжига при 310(С; 3 - после отжига при 310(С и
деформации 0,9%

) связано с закреплением дислокации вакансиями. Работа, необходимая для
преодоления связи между вакансиями и дислокациями, равна

,

где l - среднее расстояние между вакансиями вдоль линии дислокации.

Возможно также, что вакансии образуют скопления вдоль дислокации; в этом
случае работа для перерезания скопления равна

,

где d - эффективный диаметр скопления;

l - среднее расстояние между скоплениями.

Напряжение Пайерлса. В кристалле всегда имеется сопротивление решетки
движению дислокаций, или напряжение Пайерлса. Однако его влияние часто
маскируется влиянием примесей и других дислокаций. Измерение напряжения
Пайерлса также осложняется тем, что движение дислокаций может
происходить с образованием перегибов, а не в результате жесткого
движения всей дислокационной линии. Тем не менее, если оценивать эффект
напряжения Пайерлса, то необходимо проводить эксперимент в области
микродеформации, потому что напряжение Пайерлса будет активно
действовать на самой ранней стадии движения дислокации, то есть до того,
как начнут проявляться другие эффекты. Поэтому при исследовании
характеристик температурной зависимости деформации о.ц.к. металлов, где,
как часто считают, преобладает напряжение Пайерлса, измерения
микродеформации дают наибольшую информацию.

в области температур ниже 50(К считается результатом вклада напряжения
Пайерлса. Выше 50(К оказывают эффективное влияние только примеси, так
как термическая активация сводит на нет вклад напряжения Пайерлса в
предел упругости железа.

Кристаллические полимеры. Большинство кристаллических полимеров сложнее,
чем наименее совершенный металлический или ионный кристалл.
Следовательно, виды деформации еще менее определены. Для разделения
кристаллографической и некристаллографической деформаций была сделана
попытка использовать метод микродеформаций.

На рис. 9 показан вид кривых микродеформации, полученных для
кристаллического полиэтилена. Кривая деформации очень чувствительна к
скорости деформации. После разгрузки образца происходит возврат
деформации во времени, так что через некоторый период остаточная
деформация исчезает. Для определения влияния скорости деформации на
модуль необходимо использовать один и тот же образец.

Так как в экспериментах по микродеформации структура образца нарушается
незначительно, можно использовать один и тот же образец снова и снова до
тех пор, пока деформация остается полностью обратимой.

Было показано, что модуль Юнга в области микродеформации больше, чем в
экспериментах по макродеформации. Действительно, начальный статический
модуль в области микродеформации очень близок к динамическому модулю,
определяемому при частоте порядка мегагерц. Последнее следует особо
отметить, потому что большинство инженерных конструкций проектируется
для работы в «упругой» области, которая фактически оказывается областью
микропластичности.

Рис. 9. Кривые микродеформации для полиэтилена, имеющего на 80%
кристаллическое строение.



Российский Государственный Технологический Университет

РГТУ-МАТИ

Курсовая работа по материаловедению.

Тема: Микропластичность.


Преподаватель: Ботвина Л.Р.


Выполнил: Кузнецов В.Ю.

Москва 1998

Теория микродеформаций, основанная на динамике дислокаций, не исключает
того, что в некоторых случаях также может играть большую роль
закрепление и разблокирование дислокаций. В наиболее сложных случаях
разблокирование наблюдается при всех значениях напряжений вплоть до
напряжения макроскопической текучести и в результате будет иметь место
комбинация эффекта разблокирования и микродеформации за счет
динамических свойств дислокаций. Но возможен и такой случай, когда все
дислокации в материале закреплены. Тогда их перемещение будет
наблюдаться только при достижении верхнего предела текучести. В этом
случае микродеформации, предшествующей текучести, не будет.

Напряжение трения и внутреннее трение. При циклическом нагружении
образца очень