Презентация-ФХОТПвМ (Тема4-релакс)-17

вязко-хрупкого перехода.
4.1. Структурная релаксация напряженно-деформированного состояния металла деталей машин.

Холодная деформация 1. Закономерности структурных превращений в материалах с увеличением степени их пластического деформирования. 2. Текстурообразование металлов при холодном деформировании. Анизотропия свойств деформированных полуфабрикатов. 3. Влияние нагрева на строение и свойства сплавов после холодной деформации. Отдых. Полигониация. Рекристаллизация. Диаграмма рекристаллизации. 4.2. Концентрационная релаксация напряженно-деформированного состояния металла 4. Формирование неравновесных твердых растворов в результате деформации, закалки, фазового превращения. 5. Примеры концентрационной релаксации (перераспределения легирующих элементов) при растяжении и шлифовании. 6. Закономерности изменения физико-механических свойств и структурно-химических параметров двухфазных (α+β) деформированных металлических материалов при их нагреве. 4.3. Релаксация напряженно-деформированного состояния металла за счёт формирования зародышевой трещины 7. Критическая степень пластической деформации. Критический размер зародышевой трещины. 4.4. Влияние скорости и температуры пластической деформации на релаксацию напряженно-деформированного состояния металла. 8. Скорость пластической деформации конструкционного материала от способа его обработки. 9. Влияние на структурную релаксацию температуры деформирования. 10. Влияние температуры и скорости деформирования. Условия сверхпластичности металлов и сплавов. 4.5. Влияние вида напряженного состояния. Модели вязко-хрупкого перехода. 11. Влияние вида напряженного состояния на свойства металлических материалов. 12. Диаграмма механического состояния Я.Б.Фридмана. 13. Модель вязко-хрупкого перехода. Хладноломкость. 14. Оценка работы зарождения и распространения трещин в материале по испытаниям на ударный изгиб

материалах
с увеличением степени их пластического деформирования


Исследования показали, что по

мере увеличения степени пластической деформации и роста плотности дислокаций, субструктуры закономерным образом последовательно сменяют друг друга. Перераспределение дислокаций при деформации постоянно стремится привести дислокационную подсистему к некоторому локальному минимуму по внутренней энергии. Поэтому нередко при одинаковой плотности дислокаций энергия новой субструктуры, образующейся в процессе деформации, ниже, чем энергия старой.
По мере увеличения степени холодной деформации, формируются дислокационные структуры: сначала по ламинарным (сдвиговым) механизмам и далее по ротационным (поворотным).

с увеличением степени их пластического деформирования

Отдельные стадии эволюции структуры могут

быть более или менее развитыми, что зависит от ряда параметров:
- свойств деформируемого материала (ЭДУ, устойчивость кристаллической решетки);
- вида напряженного состояния (стесненности деформации, числа систем скольжения, ограничения зоны сдвига (фактора Шмидта));
скорости деформации;
степени деформации;
- температуры деформации.

воздействия, аккумуляция внешней энергии системой атомов основы и легирующими элементами,

вызывает их смещение из своих равновесных положений (узлов кристаллической решетки), что создает в объеме деформированного металла сложное упруго-напряженное поле на всех структурных уровнях. Образующиеся при этом дислоцированные (смещенные) атомы и вакансии являются носителями избыточной энергии и способствуют повышению предела растворимости фаз. Деформация в двухфазной области приводит к формированию сразу двух - и - твердых растворов, пересыщенных вакансиями и разноименными им стабилизирующими элементами, тем самым, снижая энергию дефектов упаковки и способствуя расщеплению дислокаций. Для своей самоорганизации, снятия внутренних напряжений, система реализует два релаксационных механизма: структурный и концентрационный.

Структурная релаксация проявляется в направленных атомно-кристаллических сдвигах дислоцированных атомов основы и реализуется в виде закономерных структурных превращений (отдых, полигонизация, рекристаллизация). С этой точки зрения, возникновение дефектов кристаллического строения (дислокаций и их скоплений) следует рассматривать, как способ релаксации внутренних напряжений после снятия нагрузки.

Концентрационная релаксация внутренних напряжений проявлется в перераспределении легирующих элементов, примесных атомов и точечных дефектов и реализуется в виде фазовых превращений по механизму распада.

увеличения степени деформирования, формируются закономерные структуры: сначала по ламинарным (сдвиговым)

механизмам и далее по ротационным (поворотным).
Влияние холодной деформации:

Текстура кристаллографическая – предпочтительная ориентация кристаллических ячеек
зерен и фаз под действием деформации
Текстура превращения – предпочтительная ориентация кристаллических ячеек зерен и фаз
под действием температуры перекристаллизации
Текстура структурная – предпочтительная ориентация границ раздела зерен и фаз под
действием деформации
Анизотропия свойств – особое состояние полуфабриката, в котором в различных
направлениях возникают различные физические свойства

деформации
Рассмотрим изменение свойств до и после наклепа. Пластическая деформация переводит

металл в структурно-неустойчивое состояние. Поэтому, естественно, должны возникать процессы, возвращающие этот металл в относительно устойчивое состояние. Чем выше температуры, тем более активно развивается этот процесс.

деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической

решетки, уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляции, уменьшение общего количества дефектов кристаллической решетки и перераспределению их в зернах с образованием более равновесных конфигураций, уменьшение внутренних напряжений.

Отдыхом – называется совокупность процессов, направленных на уменьшение внутренних напряжений за счет формирования и уменьшения плотности дефектов в деформированных кристаллах

Отдых – самая низкотемпературная из стадий термического возврата. Это термически активируемый процесс.
Изменение прочностных свойств деформированного металла во времени при нагреве можно оценить по формуле:
d / dt = A exp (– Q / RT) / t
где, Q – энергия активации процесса отдыха, связанная с энергией активации самодиффузии по формуле:
Qотдыха = 0,5 Qсамодифф

деформированного изгибом монокристалла цинка, обнаружил, что дислокации из исходного состояния

(хаотическое распределение) перестроились в стенки, разориентирующие монокристалл на небольшие углы.
Полигонизация заключается в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации, начинают собираться, образовывать дислокационные стенки и создавать ячеистую структуру, которая является значительно менее энергоемкой конфигурацией, более устойчивой и может затруднять процессы, развивающиеся при более высокой температуре (рекристаллизации).
Полигонизацией – называется образование субзерен разделенных малоугловыми
границами (МУГ), путем перераспределения дислокаций
Возвратом – называют самопроизвольные процессы происходящие как при отдыхе,
так и при полигонизации.
Коалесценцией (рекристаллизацией на месте, in situ) – называется разновидность
полигонизации при сливании субзерен и их укрупнении до размеров
зерен.

 


Субзерна, образовавшиеся при полигонизации, с увеличением времени и с повышением температуры отжига, стремятся укрупниться. Коалесценция субзерен
сопровождается разворотом решетки одного или обоих субзерен,
чтобы образовалась единая ориентация.
Процессом контролирующим коалесценцию, является объемная диффузия.
Различают коалесценцию парную и групповую.

рекристаллизации является снижение дислокационной плотности и уменьшение внутренней энергии системы

за счет образования новых зерен. Сопоставление температур рекристаллизации различных металлов показывает, что между Трекр. и Тпл. существует простая связь:
Трекр. = а  Тпл.
где а – коэффициент зависящий от чистоты металлов. Чем выше чистота металлов, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов с обычной чистотой а = 0,3…0,4 .
Рекристаллизацией первичной – называется процесс образования и роста новых зерен с более совершенной структурой, окруженных высокоугловыми границами, за счет исходных деформрованых зерен той же фазы.

 

Исх. Деформация Возврат Рекристаллизация I Рекристаллизация II
 Рекристаллизацией вторичной (собирательной) – называется процесс интенсивного роста новых зерен при повышенной температуре.
Известно, что рост кристаллов ­– процесс самопроизвольный, определяемый стркмлением системы к уменьшению внутренней энергии за счет сокращения суммарной поверхности границ раздела зерен.
Возможны три механизма роста зерен:
Зародышевый – состоящий в том. что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры, но в меньшем количестве. Поэтому, конечные зерна вырастают до более крупных размеров.
Миграционный – состоящий в перемещении Г.З. и увеличении размера зерна.
Слияние зерен – состоящее в постепенном "растворении" границ зерен и объединении мелких зерен в одно крупное.
Следует напомнить, что процесс рекристаллизации (по аналогии с кристаллизацией) можно охарактеризовать двумя параметрами: скоростью зарождения центров рекристаллизации (n) и скоростью их роста (c). В зависимости от их количественного соотношения, зерна вырастают до разных размеров. При nс – формируется мелкозернистая структура. При nс – крупнозернистая.

температуры и времени нагрева. На примере алюминия.








В зависимости от степени

предварительной деформации, размер зерна изменяется сложным образом

I – область: при    крит. и последующего отжига, уже в процессе отжига в отдельных зернах протекает полигонизация, а следовательно, возрастает неоднородность наклепа разных зерен.
При  =  крит. – неоднородность наклепа настолько велика, что из-за разности в накопленной объемной энергии, наблюдается миграция границ зерен. В результате чего, отдельные зерна растут за счет соседних.
II – область: при    крит. – при больших степенях деформации общая дислокационная плотность настолько велика, что при отжиге резко увеличивается скорость зарождения центров рекристаллизации (n)

III – область: при    крит. – в этой области конкурируют два процесса:
а) укрупнение зерен вследствие миграции исходных границ зерен
б) появление новых границ зерен из центров первичной рекристаллизации
Критическая степень деформации ( крит.) – это степень деформации приводящая после нагрева к гигантскому росту зерна.  крит. – невелика и находится в пределах 3…8 %

скоростью зарождения
центров рекристал
лизации (n) и
скоростью их роста (c).

темпеартуры деформации называется полной диаграммой рекристаллизации.
При отжиге наклепанного металла

свойства изменяются обратно тому, как они изменялись при холодной деформации. Показатели сопротивления деформации уменьшаются, а пластичность увеличивается. В зависимости от температуры отжига а предварительно деформированном материале может развивается только – возврат. Такой отжиг называется текстурирующим.
рекристализация. Такой отжиг называется неполным рекристаллизационным.
собирательная рекристаллизация. Такой отжиг называется полным рекристаллизационным

обрабатываемых заготовок (особенно больших толщин) возникает повышенная склонность металла к

деформационной и температурной неоднородности, что обусловливает появление в объеме заготовок механических и термических внутренних напряжений на макро-, микро- и субмикроскопическом уровнях, которые наряду с высокой дефектностью кристаллической решетки, повышают предел растворимости фаз и вызывают пересыщение легирующими и примесными атомами. Для своей самоорганизации, перехода к относительному равновесию, система реализует два релаксационных механизма: структурный и концентрационный. Неравновесным твердым раствором – называется твердый раствор, находящийся в упруго-напряженном состоянии, в котором атомы металла основы смещены относительно своих равновесных узлов в кристаллической решетке. Неравновесные твердые растворы могут быть получены в результате: - пересыщения легирующими элементами при быстром охлаждении (закалке); смещения атомов основы из своих равновесных узлов в кристаллической решетке при деформации или облучении; - пересыщения точечными дефектами (вакансиями) при полиморфного фазового превращении (смене кристаллической решетки);

4.2.4. Формирование неравновесных твердых растворов в результате деформации, закалки,
фазового превращения

из стали 20 и сплава титана Ti – 5,4Al, как

в зоне излома, так и в исходном металле, полученные с помощью метода Оже-спектроскопии, (рис. ), деформирование металла вызывает перераспределение в нем легирующих элементов.

4.2.5. Примеры концентрационной релаксации (перераспределения легирующих элементов) при растяжении

обработке, например, при шлифовке авиационных лопаток из двухфазного (+) титанового

сплава ВТ9. На рис. представлена дифрактограмма рентгеновского излучения, полученная с поверхности детали до (рис. а) и после (рис. б) шлифовки. Видно, что поверхностное деформирование металла привело к растворению в нем второй  – фазовой составляющей, приведя в пересыщению по  – стабилизирующим элементам  – твердый раствор. Исчезновение на поверхности детали «мягкой»  – фазы привело к так называемому ее «альфированию» и к снижению в 100 раз числа циклов до разрушения авиационных лопаток.

4.2.5. Примеры концентрационной релаксации (перераспределения легирующих элементов) при шлифовании

(α+β) металлических материалов при их нагреве

(α+β) металлических материалов при их нагреве

от ТЕМПЕРАТУРЫ Т10 (10% высокотемпературной β-фазы) ( распад β-фазы)
Исходное состояние

х 24000

Полигонизация β- фазы х 24000

от ТЕМПЕРАТУР Т15 и Т20 (15% и 20% высокотемпературной β-фазы)
Перераспределение

л.э. х 24000

Рекристаллизация β- фазы х 24000

от ТЕМПЕРАТУР Т30 и Т50 (30% и 50% высокотемпературной β-фазы)
Полигонизация

- фазы х 24000

Перераспределение л.э. х 24000

от ТЕМПЕРАТУР Т75 и Тпп (75% и 100% высокотемпературной β-фазы)
Рекристаллизация

- фазы х 24000

Перераспределение л.э. х 24000

от ТЕМПЕРАТУРЫ Т100 ( 100% гомогенной β-фазы)
Перераспределение л.э. (гомогенизация β-фазы)

х 24000

Стадии структурной и концентрационной релаксации

в материале открываются его новые «способности» - оказывать сопротивление распространению

трещины. Учёные назвали такую способность материала – трещиностойкостью. Расход (диссипация, затраты) энергии на образование свободных поверхностей оценивается по формуле: WS = S F = S 2l где, WS – энергия трещины (затраты на разрушение), Дж S – удельная поверхностная энергия, Дж / м2 F – площадь свободной поверхности, м2 l – длина трещины;  – минимальное действующее напряжение приводящее к росту трещины.

4.3.7. Критическая степень пластической деформации. Критический размер зародышевой трещины.

Изменение энергии системы с растущей трещиной

Критической длиной трещины (ℓкр) – называется минимальная её длина, начиная с которой происходит самопроизвольное её распространение, сопровождающееся высвобождением энергии в системе и снятием внутренних напряжений.

Трещиностойкостью – называется способность материала сопротивляться распространению трещины при статическом или циклическом нагружении.

ℓкр = 2 SЕ /2

перераспределение внутренних напряжений. Важно напомнить, что каждому типу субструктуры соответствует

определенная плотность дислокаций, и для ее формирования требуется определенное время, тем большее, чем ниже температура нагрева. Отсюда становится понятным, почему увеличение скорости деформирования и снижение температуры задерживает эволюцию структурообразования. При этом тормозятся релаксационные процессы, и возрастает сопротивление деформированию. Для сохранения целостности материала изделия, на смену сдвиговым, ламинарным механизмам приходят высокоскоростные механизмы фазовых превращений. Для сравнения, в таблице 6 приведены скорости пластической деформации, которые реализуются в материалах при различных видах их технологической обработки, испытаниях, и при работе конструкций.

4.4.8. Скорость деформации конструкционного
материала от способа его обработки

свойств, при пластической деформации. Этот вклад состоит в том, что

одновременно с процессами упрочнения и формирования субструктуры деформированного состояния происходят процессы разупрочнения (превращения субструктур). Разупрочняющие процессы происходят тем интенсивнее, чем больше время, температура, степень, и меньше скорость деформирования материала. Введем понятия: (d / dt)деформ. – скорость деформирования материала, (d / dt)релакс. – скорость релаксации (например, рекристаллизации) материала. В таком случае можно дать определения горячей и холодной пласт. деформации. Горячей деформацией – называется деформация, проходящая при скоростях сопоставимых со скоростями релаксации, (d / dt)деформ.  (d / dt)релакс Теплой деформацией – называется деформация, проходящая при скоростях больших по сравнению со скоростями релаксации, (d / dt)деформ.  (d / dt)релакс. Холодной деформацией – называется деформация, проходящая при скоростях много больших по сравнению со скоростями релаксации, (d / dt)деформ.   (d / dt)релакс. Физическая сущность быстрого процесса деформирования состоит в том, что за сверхкороткое время, внешнее приложенное напряжение может вызвать пластическую деформацию только по скоростному механизму фазовых (мартенситных) превращений. В материале не успевают срабатывать релаксационные процессы, затрудняется теплообмен между деформируемой зоной и окружающей средой. Поэтому происходит переход от изотермической деформации к адиабатической, подключаются ротационные механизмы пластической деформации. Возникшая локализация пластической деформации сохраняется вплоть до разрушения. Оценку динамического предела текучести т(динамич.) в зависимости от скорости деформирования * можно произвести по формуле: (динамич.)(статич.)lg(*(динамич.) *(статич.)) где, т(статич.) ­– величина предела текучести материала, полученная при обычном стандартном испытании на растяжение со скоростью (d/dt)(статич.) = 10 -3 с -1; С увеличением скорости деформирования, происходит увеличение прочности, снижение пластичности и вязкости разрушения материала.

4.4.8. Скорость деформации конструкционного
материала от способа его обработки

из стали, меди, алюминия, с увеличением скорости нагружения твердость металлов

возрастала. Например, для образцов из свинца была построена зависимость:

4.4.8. Скорость деформации конструкционного
материала от способа его обработки

С увеличением скорости вдавливания, затрудняется теплообмен между деформируемой зоной и окружающей средой. Поэтому происходит переход от изотермической деформации к адиабатической.
Согласно полученным результатам, для свинца уже при +20С с увеличением скорости деформирования происходит переход от "горячей" к "холодной" деформации. При температуре – 180С, происходит "холодное" деформирование (d / dt)деформ.   (d / dt)релакс. .

различным физико-химическим процессам. Для анализа используют так называемые гомологические (сходственные)

температуры, Т / Тпл Рассмотрим обобщенную температурную зависимость приведенного сопротивления течения для поликристаллических материалов с различной кристаллографической решеткой.

4.4.9. Влияние на структурную релаксацию температуры деформирования

Исследовалось сопротивление малым пластическим деформациям (2…4 %) со скоростью деформирования 2…9, с-1 (для алюминия 25 с-1)

Диаграммы сжатия железа при различных скоростях и температурах деформирования:

предела текучести вызовет пластическую деформацию, т.е. приведет в движение дислокации.

Если препятствий для свободного перемещения дислокаций нет и они не возникают в процессе деформации, то деформация может быть сколь угодно большой. При растяжении образец может удлиниться в десятки и сотни раз, превращаясь в подобие проволок. В некоторых случаях (при определенных температурах и скоростях деформации некоторых металлов) это наблюдается и носит название сверхпластичность. Конечно, так удлиниться на многие сотни, и, даже тысячи процентов образец сможет лишь тогда, когда не возникает местное сужение (шейка). Если возникает шейка, то деформация локализуется и в таком металле, в конечном итоге, произойдет разделение образца на два куска, но тогда, когда в месте разделения сечение утонилось до нуля. Это не редкий случай. Значит, сверхпластичность может наблюдаться тогда, когда в процессе деформации пластичность металла не уменьшается и не образуется локальной деформации (шейки). Под сверхпластичностью следует понимать способность материала равномерно пластически деформироваться без упрочнения.

4.4.10. Условия сверхпластичности металлов и сплавов.

Используя эффект сверхпластичности, можно значительно продеформировать металл, затрачивая на это мало усилий. Однако сверхпластичность проявляется в сравнительно узком интервале температур, поэтому на практике штамповка в режиме сверхпластичности называется изотермической штамповкой, когда рабочий инструмент (штамп) и штампуемый материал нагреты на одну, строго определенную температуру.
Тем не менее такого рода предельная пластичность типична для очень мягких, чистых металлов.
Рассмотрим область существования сверхпластичности на примере эвтектоида Zn – Al.
Особенностью высокотемпературного деформирования является накопление дефектов кристаллического строения не в теле, а вдоль границ зерен.

Сверхпластичность проявляется в следующих случаях: 1. при медленном деформировании мелкозернистых материалов (сплавов) при высоких температурах (приблизительно 0,7 - 0,8 от абсолютной температуры плавления); 2. при температурах вблизи (несколько ниже) температуры фазовых превращений, например в стали при 680 - 7200 С (выше 7200 С в стали происходит превращение), но не при температуре самих превращений, что иногда ошибочно указывается; в момент диффузионных фазовых превращений пластичность резко падает; 3. в момент сдвиговых (мартенситных) превращений.

вязко-хрупкого перехода.

деформируемого твердого тела общепринятым является классифицировать разрушение на хрупкое, вязкое

и смешанное. Однако, в общем случае, на механизм разрушения влияние также комплекс других факторов: режим нагружения, температура испытания, вид, а точнее «жесткость» напряженного состояния. Показатель напряженного состояния - коэффициент жесткости () — безразмерная величина для количественной оценки напряженного состояния, отражающий соотношение нормальных и касательных напряжений, Напряженное состояние характеризуется отношением  = tmax / Snmax где,  – коэффициент жесткости напряженного состояния, tmax – истинное касательное напряжение, Snmax – приведенное истинное нормальное напряжение, – напряжение, которое было приведено к той же деформации при одноосном растяжении. Значения коэффициента жесткости при разных видах нагружения приведены в таблице Таблица. Значения коэффициента жесткости при разных видах нагружения.

соответствует максимальное скалывающее напряжение. Линии скольжения являются прямолинейными, если скольжение

происходит только по одной системе, и волнистым, если скольжение происходит по нескольким системам скольжения. Расстояние между линиями скольжения убывает с увеличением степени деформации и составляет 100…1000 мкм. Критическим скалывающим напряжением (tК) – называется напряжение, действующее в плоскости скольжения вдоль направления скольжения. Критическое скалывающее напряжение не зависит от ориентации кристалла, является постоянной величиной и составляет примерно 10-4 от модуля сдвига G. Таблица. Значения критических скалывающих напряжений кристаллов при комнатной температуре

4.5.11 Влияние вида напряженного состояния на свойства металлических материалов

обобщенную кривую течения, где gmax – деформация срезом.
Snmax – приведенное

истинное нормальное напряжение, – напряжение, которое было приведено к той же деформации при одноосном растяжении.
Луч проведенный из начала координат характеризует определенное напряженное состояние, которое оценивается показателем  = tmax / Snmax
если tmax >> Snmax способ нагружения является мягким (сжатие,  = 2,0)
tmax << Snmax способ нагружения является жестким (растяжение,  = 0,5)
tmax ≈ Snmax способ нагружения является средним (кручение,  = 0,8)
Таким образом, увеличивая коэффициент жесткости  за счет применения более мягкого способа нагружения (сжатия) можно перевести металл в пластическое состояние.

распространения трещины аР в материале.
4.5.13. Модель вязко-хрупкого перехода. Хладноломкость.
Виды образцов

после ударного нагружения с вязким (а) и кристаллическим (б) изломом.

радиусе надреза R = 0,25 мм, KCT – при концентраторе в

виде трещины (R0).

4.5.14. Оценка работы зарождения и распространения трещин в материале по испытаниям на ударный изгиб

Диаграмма растяжения при вязком (а) и хрупком (б) состоянии.

Ударная вязкость зависит от:
- размера зерна металла – измельчение зерна приводит к значительному повышению ударной вязкости;
- наличия концентраторов напряжений в изделии;
- наличия вредных примесей;
- скорости деформации – чем выше скорость, тем ударная вязкость ниже;
- температуры.

повышением (снижением) температуры поверхностных слоев деталей машин.
2. Изменение прочности

материала с повышением (снижением) скорости деформирования поверхностных слоев деталей машин.
3. Условия возникновения состояния сверхпластичности материалов.
4. Основные способы релаксации внутренних напряжений металлом.
5. Эволюция изменения дислокационной субструктуры в металле с низкой (высокой) энергией дефекта упаковки (э.д.у.).
6. Какие испытания проводят для оценки Температуры вязко-хрупкого перехода материала (Тхр)?
7. Что называется Концентрационной релаксацией в сплаве?
8. Основные процессы, протекающие в холоднодеформированном металле при нагреве по мере повышения температуры (Отдых. Полигониация. Рекристаллизация).
9. Как оценивается температура вязко-хрупкого перехода материала по виду излома после фрактографического анализа.
10. Приведите пример мягкого (жёсткого) способа нагружения.