ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 2, 2004
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 539.52:669.3'715
© 2004 г. Анисович А.Г., Тофпенец Р.Л., Марукович Е.И.
ПРИЧИНЫ ПОВЫШЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Рассматриваются причины повышения пластических свойств сплавов цветных металлов при импульсной магнитной и термической обработке. Показано, что повышенный ресурс пластичности характерен для структур, обладающих низкой плотностью дислокаций внутри зерна. Большим количеством высокоразориенти-рованных границ и высокой концентрацией вакансий. Показана возможность применения импульсных воздействий для повышения комплекса механических свойств промышленных сплавов.
Проблеме прочности металлов и сплавов посвящено значительное количество исследований, что объясняется важностью ее решения для развития техники и технологии. Исследованы и установлены структурные факторы, обеспечивающие упрочнение материала, и разработана теоретическая база.
Обычно в традиционных технологиях обработки металлов повышение прочности сопровождается снижением пластических свойств. Установление структурных факторов пластичности при импульсных воздействиях представляет интерес с точки зрения теории пластичности и практики создания технологий обработки, обеспечивающих повышение прочностных и пластических свойств в комплексе.
Решение такой задачи проблематично для металлических материалов. Для повышения прочностных свойств требуется создание структуры, обеспечивающей уменьшение длины свободного пробега дислокаций и их торможение на препятствиях различного рода: границ зерен, дисперсных включений фаз, дислокационных конфигураций, в которых скольжение отдельных дислокаций затруднено.
Приведенное напряжение сдвига, характеризующее деформационное упрочнение, связывается с плотностью дислокаций р следующей зависимостью [1]:
(т - т0) М = АЪТр, (1)
где А - константа равная 0,3-0,6; Ъ - вектор Бюргерса.
Зависимость напряжения течения от размера зерна (блока) описывается уравнением Холла-Петча [2]
о = о0 + Ы~1/2, (2)
где о0 - сопротивление скольжению в теле зерна; к - коэффициент, характеризующий вклад, обусловленный величиной зерна.
Рис. 1
Уравнения (1) и (2) связывают деформационное упрочнение с длиной свободного пробега зерна.
Высокая пластичность требует нейтрализации структурного упрочнения, т.е. обратного эффекта. Для повышения пластичности используются различные варианты термообработки, в основе которых - длительные выдержки при повышенных температурах, обеспечивающие реализацию диффузионных процессов.
Решение задачи повышения механических свойств в комплексе требует использования традиционных и принципиально новых методов обработки. В качестве таковых можно предложить термическую (ТЦО), магнитную (МИО), лазерную и ультразвуковую импульсные обработки.
Соотношение прочности и пластичности при различных способах обработки можно представить диаграммой (рис. 1, а). Она создана применительно к термоциклирова-нию [3], но учитывая общность процессов структурообразования при импульсных воздействиях различной физической природы, возможно применение такой диаграммы для иллюстрации формирования комплекса свойств при импульсных воздействиях. Варианты возможных свойств сплавов при традиционной термической обработке располагаются по линиям а-Ь. При использовании импульсных воздействий возможен переход к новому комплексу свойств на уровень с-й по вариантам 1, 2 или 3. При этом достижимо одновременное повышение прочностных и пластических свойств (вариант 2), а также повышение одного из свойств при сохранении другого на исходном уровне (варианты 1 и 3).
Повышение комплекса свойств металлов и сплавов при импульсных воздействиях описано в большом количестве работ [4].
В соответствии с диаграммой рис. 1, а кривые напряжение - деформация металла (для изменения свойств по линии а-в) после стандартной обработки должны иметь вид рис. 1, б (1 - для исходного состояния, 2 - при повышенной прочности, 3 - при повышении пластичности). При импульсной обработке при переходе к новому комплексу свойств (линии с-й) по вариантам 1, 2 или 3 соотношение кривых напряжение - деформация принимает вид, показанный на рис. 1, в (1 - для точки 0 (исходный), 2 - повышение пластичности при сохранении прочности, 3 - повышение прочности и пластичности, 4 - повышение прочности при сохранении пластичности). Свойства при этом претерпевают прирост или остаются на уровне, заданном исходной точкой 0.
На рис. 2 представлены экспериментальные кривые напряжение-деформация для различных сплавов цветных металлов подвергнутых импульсному воздействию. Сплав Д16: 1 - закалка и старение при 190° в течение 6 ч; 2 - закалка и ТЦО при 250-20° за 12 циклов. Сплав АК4-1: 3 - закалка и старение при 190° за 6 ч; 4 - ТЦО при 535-20° за 10 циклов и старение 185° в течение 5 ч. Для различных случаев реализуются варианты 2, 3 или 4 в соответствии с рис. 1, в.
Структурные основы повышения пластичности при ползучести теоретически описаны в [5]. Показано, что закон пластического течения при ползучести описывается уравнением де& = С1П*(а - ок) + С2и(Эо/Э0 + (1/£)(Эо/Э0, где е - суммарная деформация; о - напряжение, вызывающее деформацию; и* - количество подвижных
единичных дислокаций, которые могут двигаться при о = const; U - общее число подвижных единичных дислокаций (величина U характеризует суммарную пластическую эффективность подвижных дислокаций); член (l/E)/(3o/3t) учитывает деформацию по закону Гука; (о - ок) -величина, пропорциональная скорости движения подвижных дислокаций.
Скорость нарастания пластической деформации de тем больше, чем больше прирост do и чем больше число дислокаций U, которое приходит в движение под действием do.
Для расчета U и U* используется закон кинетики дислокаций, полагающий, что всякое кристаллическое тело под влиянием пластической деформации претерпевает прирост числа подвижных дислокаций dU пропорциональный деформации de и квадратично зависящий от числа имеющихся дислокаций [5]: dU = [а0 + (а - P)U - yU2]de, где а - величина, пропорциональная вероятности того, что дислокация на пути de отщепит новую дислокацию; в - величина, пропорциональная вероятности того, что дислокация погибнет, не отщепив новой; а - в - средний прирост на одну дислокацию; (а - e)U - общий прирост; у - величина, пропорциональная вероятности возникновения устойчивой пары дислокаций; yU - удельная убыль дислокаций; а0 - пропорционально вероятности первичного возникновения дислокаций при деформации кристалла.
Общий закон кинетики дислокаций относится к любому из компонент деформаций и любому типу подвижных дислокаций. Существование законов пластичности и кинетики дислокаций отражает связь между любой формой пластического течения, зарождением и гибелью дислокаций.
Для случая ползучести имеет место интенсивная гибель дислокаций за счет задержки их движения препятствиями ((а - e)U < 0) или образования связанных пар (yU < 0). Образование новых дислокаций происходит за счет первичного возникновения (а0 > 0) или источников Франка-Рида (а - в > 0). Таким образом, уменьшение скорости ползучести обусловлено уменьшением с течением времени числа подвижных дислокаций, способных двигаться при постоянной температуре.
Теоретический анализ и экспериментальные данные, приведенные в [5], показывают, что основной причиной повышения пластичности является возможность генерации подвижных дислокаций в процессе механических испытаний.
Повышенный ресурс пластичности, определяющий высокие пластические свойства, характерен для структур, обладающих: низкой плотностью дислокаций внутри зерна, что облегчает процесс скольжения и увеличивает длину свободного пробега дислокаций; большим количеством высокоразориентированных границ, что обусловливает возможность интенсивного зарождения новых дислокаций; высокой концентрацией вакансий, что интенсифицирует процесс скольжения. Такие структуры формируются в металлах и сплавах при использовании импульсных методов воздействия. Особенности формирования таких структур описаны в [6]. При импульсных воздействиях формирующаяся структура дает возможность увеличения отрезка о - ок. В процессе импульсных воздействий металлу сообщается энергия, которая расходуется на работу пластической деформации, создание упругих напряжений и дефектов кристаллического строения. Часть этой энергии диссипируется в виде тепла. При этом в металле реализуются новые моды деформации, обеспечивающие формирование специфических структур.
Пластифицирующее действие мод деформации проявляется в том, что деформация осуществляется на разных структурных уровнях: скольжением отдельных дислокаций внутри ячеек; движением или разрушением их границ; процессами, связанны-
P, кг
0 0,4 2,0 4,0
D1, мм
Рис. 2
Рис. 3
ми с границами зерен; формированием фрагментов с последующей микрорекристаллизацией. Вовлечение в процесс деформации изгибных и ротационных мод деформации приводит к формированию полигональной и фрагментированной структур. В первом случае формируются блоки, свободные от дислокаций (полигоны), во втором - сильно-разориентированные фрагменты порядка 0,1, ..., 0,3 мкм. Дальнейшая трансформация структуры идет за счет развития процесса микрорекристаллизации. Сущность последней заключается в "рассыпании" границ фрагментов и формировании новых зерен большего размера (до 5 мкм и более). Таким образом реализация варианта, обеспечивающего высокие пластические свойства при сохранении прочности, возможна за счет высокой дисперсности "фрагментов" и включений упрочняющих фаз. Это обусловливает высокие показатели прочностных свойств. Высокая разориентировка "фрагментов" (означающая наличие фактора неравновесности в приграничных зонах) и низкая плотность дислокаций внутри них создают возможность дополнительной генерации и движения дислокаций при внешнем нагружении.
Наглядной иллюстрацией описанного принципа являются результаты использования термоциклирования для повышения технологической пластичности литого сплава Д16 методом ТЦО [7]. Стандартная г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.