CC BY
142
УДК 5З9.З
ИЗМЕНЕНИЕ ФРАКТАЛЬНОЙ РАЗМЕРНОСТИ МИКРОРЕЛЬЕФА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ НАВОДОРОЖИВАНИЯ
© Л.В. Шашкова
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург, Россия, e-mail: lvshashkova@bk.ru
Ключевые слова: фрактальная размерность; наводороживание; диффузионно-подвижный и связанный водород; нестационарная и стационарная диффузия водорода.
Установлено изменение фрактальной размерности микрорельефа пластической деформации стали при кручении образцов на различных стадиях (нестационарной и стационарной) диффузии водорода.
В материаловедении для описания элементов микроструктуры традиционно используется евклидова размерность і которая может принимать четыре значения: С = 0 для точечных дефектов (вакансии, межу-зельные атомы); С = 1 для линейных дефектов (дислокации); С = 2 для планарных дефектов (двойники, границы зерен и т. п.) и С = 3 для трехмерных образований в объеме образца. Недостаток описания микроструктур на основе плотностей дефектов связан с тем, что для большинства микроструктур этот показатель еще не определяет поведения материала под нагрузкой; кроме того, в процессе эволюции системы происходит и эволюция самого дефекта, сопровождающаяся изменением евклидовой размерности и энергии дефекта. Одним из перспективных путей решения задачи количественного описания структур материалов является их параметризация, основанная на использовании теории фракталов. В материаловедении примерами фрактальных структур могут служить совокупность пор, изрезанные границы фаз или зерен, трещины, поверхности разрушения и т. п. Вид таких структур при разных увеличениях выглядит сходным образом. Свойство самоподобия можно выразить алгебраически при введении понятия
фрактальной размерности: если структуру можно разбить на N подобных друг другу и самой структуре частей в 1/г раз (г < 1) меньшего размера, то ее размерность определяется формулой Б = ^(N) / ^(1 / г) , где Б - фрактальная размерность.
В данной работе фрактальную размерность микрорельефа пластической деформации вблизи кромки разрушения определяли по фотографиям, полученным ранее в работе [1]. В качестве объекта исследования были выбраны три фотографии, наглядно демонстрирующие особенности микрорельефа пластической деформации при кручении образцов из малоуглеродистой стали без водорода (рис. 1, а), на этапе нестационарной (рис. 1, б), а также на этапе стационарной диффузии (рис. 1, в). Ранее в работе [2 и др.] было показано, что при наводороживании металлов и сплавов упрочнению предшествует разупрочнение и эти процессы непосредственно связаны с состояниями водорода (диффузионно-подвижный или связанный) на различных этапах диффузии (нестационарной или стационарной). Проводилась компьютерная обработка данных трех фотографий при пяти увеличениях. Для определения фрактальной размерности линий скольжения использовался
Рис. 1. Микрорельеф пластической деформации вблизи кромки разрушения при кручении стали 20 (х450): а) ненаводороженное состояние; б) наводороживание 1,5 часа и в) 25 часов
Рис. 2. Графики зависимостей N(1) для образцов: 1 - исходного, 2 - после 1,5 ч и 3 - после 25 ч наводороживания
метод ячеек (“box method”) [3]. На изображение выбранного фрагмента (в нашем случае - линию скольжения) накладывали элементарную сетку, которая состояла из квадратов со сторонами 11. При этом подсчитывали число квадратов N(l1), через которые проходит выбранная линия. Затем изменяли масштаб сетки, а следовательно, и сторон квадрата. Каждый раз подсчитывали число квадратов, пересекающих выбранную линию скольжения. Для фрактальной линии количество пересечений N(l1) зависит от линейного масштаба I
сеток как [4]: L(l) = a11-D , где D - фрактальная размерность изрезанной (фрактальной) линии, которая превышает топологическую размерность обычной линии. Данная зависимость в логарифмических координатах линейная. Строили графики зависимости N(1) в двойных логарифмических координатах (рис. 2). По тангенсу угла наклона графиков определяли фрактальную размерность линий скольжения. Всего было исследовано 9 участков микрорельефа. Фрактальная размерность линий деформации образца без водорода оказалась D = 1,06 практически равной евклидовой размерности линии d = 1. В течение 1,5-2,0 часов наво-дороживания (стадия нестационарной диффузии) фрактальная размерность линий деформации снижается до значения D = 0,88, что свидетельствует о возрастании концентрации точечных дефектов в диффузионной
системе металл-водород. С установлением стационарного режима в системе металл-водород (после 25 часов) фрактальная размерность линий деформации возрастает до значения D = 1,32. Таким образом, полученные данные (D = 0,88) подтверждают наблюдаемое ранее разупрочнение, обусловленное диффузионноподвижным водородом на стадии нестационарной диффузии при различных схемах нагружения [2 и др.]. Индуцированные диффузионно-подвижным водородом концентрационные микронапряжения сдвигают химический потенциал примесных и собственных точечных дефектов и активизируют процессы их диффузии. Рост напряжений приводит к автокаталитическому размножению дислокаций и вакансий. Рост фрактальной размерности с установлением стационарного потока водорода связан с падением концентрации диффузионноподвижного водорода и возрастанием концентрации водорода, связанного ловушками и молизованного в коллекторах. Связанный водород блокирует сдвиг дислокаций и определяет эффект упрочнения. Известно, что перед разрушением образцов всегда наблюдается резкий рост фрактальной размерности. В связи с этим фрактальная размерность может эффективно быть использована как критерий предразрушения материалов при наводороживании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Савченков Э.А., Айткулов Р.Р. Роль растворенного водорода в развитии хрупкости стали // Физ.-хим. механика материалов. Киев: Наукова думка, 1987. № 1. С. 46-49.
2. Савченков Э.А., Шашкова Л.В., Манаков Н.А. Синергетическая концепция водородной повреждаемости металлов и сплавов (этапы развития и перспективы) // Вестник ОГУ. Оренбург, 2006. № 1. Т. 2. С. 133-137.
3. Иванова В.С. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. 383 с.
4. Олемской А.И., Флат А.Я. Использование концепции фрактала в физике конденсированной среды // УФН. 1993. Т. 163. № 12. С. 1-50.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Shashkova L.V. Change of fractal dimension of plastic deformation microrelief of steel in process of hydrogen charging.
Change of fractal dimension of plastic deformation microrelief of steel is established at torsion of samples at various stages (non-stationary and stationary) of hydrogen diffusions.
Key words: fractal dimension; hydrogen charging; diffusion mobility and molecular hydrogen; non-stationary diffusion of hydrogen.
