CC BY
39
НАУЧНОЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ «IN SITU» ISSN 2411-7161 № 1-2-2017 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Данющенков И.А., Рыжонков Д.И.
ПРОЦЕССЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В ТВЕРДЫХ МЕТАЛЛАХ ПРИ ДЕЙСТВИИ
НА НИХ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ
Аннотация
Современная наука о прочности и разрушении металлов не может объяснить большого сочетания разрушающего напряжения и возникающей при этом пластической деформации. Разрушающие напряжения возникают благодаря химическому взаимодействию растворенных в металле углерода и кислорода. Дислокационный механизм упругой и пластической деформации подготавливает и обеспечивает возникновение этого химического процесса.
Ключевые слова
упругие напряжения, пластические напряжения, дислокации, углерод, кислород, перемещение и насыщение, химическое взаимодействие, гидростатическое давление, разрушение металлов.
Несмотря на большое количество работ, посвященных процессу разрушения, ответа на вопрос почему в ряде случаев металл разрушается при нагрузках близких к нулю (хрупкое разрушение, без видимых следов деформации), а при максимальных нагрузках (~ 70^150 кг/мм2)разрушения не происходит, возникает так называемая сверхпластичность (относительное удлинение достигает более 500%). Это свидетельствует о том, что процесс разрушения достаточно сложный и истинная природа его выяснена далеко не полностью [1, с. 108; 2, с. 36]. Кроме этого в сознании исследователей, занимающихся проблемами прочности, доминирует понимание роли дислокации, как основы образования трещины (как строительный материал для ее образования), в результате суммирования тех микропустот, которые имеют дислокации. Предполагается, что под действием возникающих напряжений, сопровождающих движение дислокаций эти микропустоты объединяются, образуя зародышевую трещину, которая увеличиваясь может перерасти при благоприятных условиях в транскристаллическую трещину. В литературе эти процессы получили название дислокационных моделей разрушения.
Впервые на несоответствие дислокационных моделей практическим данным обратил внимание Т. Екобори [1, с. 149]. Дислокации, движущиеся в одной плоскости скольжения, никогда не могут объединиться, так как имея одинаковые электрические и магнитные диполи, они всегда будут отталкиваться. Для их объединения потребовалась бы очень большая энергия (сила), которую механическим воздействием создать нельзя. Также невозможно объяснить разрушение металлов раскалывающими дислокациями. Слияние дислокаций с векторами Бюргерса более двух — маловероятно: они если даже возникнут - должны распадаться на дислокации с меньшими векторами Бюргерса (не более двух) [2, с. 95, 105]. Признание действия дислокационных моделей разрушения мешает пониманию истинных причин разрушения.
Из опытных данных известно, что металл, содержащий в растворе малое количество кислорода, обладает высокой пластичностью и не подвержен хрупкому разрушению [3, с. 449]. Однако, механизм этого влияния не ясен. Поэтому, чтобы понять природу разрушения, необходимо проследить за всеми процессами, возникающими в твердом металле, при действии на него внешней нагрузки от 0 до ав, или до разрушения, уделив особое внимание поведению примесей внедрения в упругой области, так как именно в ней и происходит хрупкое разрушение. Для упрощения понимания последовательности возникающих процессов выберем металл с низким содержанием кислорода: спокойная (хорошо раскисленная) сталь или молибден с содержанием кислорода менее 10-4%масс.
При действии на металл высокой чистоты по кислороду внешней нагрузкой от нуля до некоторой критической нагрузки в металле возникают упругие напряжения (о^р), происходит
некоторое упругое увеличение параметров решетки вдоль направления действующей нагрузки и других структурных изменений не происходит. В этой области выполняется закон Гука. Но эта область невелика (всего лишь 0,2 — 0,3 стт) и равна пределу усталости или тому минимальному напряжению при ползучести, когда длина образца при нагружении увеличивается скачкообразно. Здесь происходит переход примесей внедрения в октаэдрические пустоты по направлению действующей внешней нагрузки в ОЦК-металлах. Этот процесс хорошо известен, но последствия его недостаточно изучены. По мере роста внешней нагрузки, не имеет значение каким образом она возникает: будь то растягивающее напряжение при испытании на разрыв, усталость, ползучесть или за счет трения металла об валки во время прокатки, увеличивается упругая энергия кристаллической решетки, и наступает такое состояние, когда этой упругой энергии достаточно для размещения примесей внедрения в объеме металла. При этом упругая энергия снижается, и состояние кристаллической решетки становится более равновесным. В первую очередь снижение упругой энергии будет происходить за счет перехода хаотически распределенных примесей внедрения в решетке. Количество атомов примесей внедрения, находящихся в исходном состоянии (до нагружения), гораздо меньше кристаллических ячеек, в которых накопилась необходимая упругая энергия (скр). Поэтому происходит дополнительное насыщение металла примесями внедрения из внешней атмосферы. Так, при прокатке молибденовых листов возникают упругие растягивающие напряжения по толщине листа величиной 0,4стт на поверхности и в середине листа, если обжатие
(деформация) за один проход была недостаточно велика < 0,62 [4]). При большой деформации (^ > 0,62) в середине листа возникают сжимающие напряжения той же величины 0,4стт. Содержание
кислорода в исходной сутунке колебалось от 0,005 до 0,003 %масс. На поверхности листа, где всегда возникают растягивающие напряжения, содержание кислорода возросло до 0,1 %масс (т.е. более чем в 10 раз). При больших обжатиях за один проход в середине листа содержание кислорода снижается до 0,0001 %масс. После удаления поверхностных слоев листы прокатанные с большими обжатиями имеют значительную пластичность (30-60% удлинения), высокую прочность 70-90 кг/мм2 хорошую свариваемость (угол загиба сварного соединения по стандартной методике при комнатной температуре равен 180°). Роль упругих напряжений в насыщении и очистке металла от кислорода очень велика. Возникающие упругие напряжения при прокатке (0,4стт) по величине больше критического напряжения насыщения кислородом (0,2ог — предел усталости [6]), что и привело к поглощению кислорода. Особо следует подчеркнуть высокую скорость насыщения кислородом. Металл находится в очаге деформации при прокатке 0,1 секунды (0,0008-0,0012 с. за один проход) и за это время разница в содержании кислорода достигает 103 раз. По видимому, скорость поглощения кислорода определяется скоростью создания упругих напряжений: предельная скорость равна скорости звука в металле. Таким образом увеличение внутренних напряжений выше сткр приводит не только к перемещению примесей внедрения, но и к насыщению ими из внешней среды.
Упругие напряжения в твердом металле очень неоднородны. На их величину кроме внешней нагрузки будет влиять кристаллографическое направление, многочисленные барьеры движения дислокаций: границы зерен, субзерен и двойников; дисперсные вторые фазы, дислокации. Присутствие примесей внедрения будет увеличивать и ускорять процесс поглощения, так как около примесей внедрения всегда возникают напряжения, которые, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, обеспечивают более раннее достижение величины скр, что вызывает дополнительное поглощение примесей внедрения. Чем выше концентрация примесей внедрения, тем ниже сткр, процесс поглощения идет с ускорением, приобретая автокаталитический характер и при определенной концентрации примесей внедрения скр = 0 и упругая область исчезает. Поэтому для уменьшения (замедления) насыщения примесями внедрения в процессе нагружения металла внешней нагрузкой важно иметь в исходном его состоянии максимальную чистоту по кислороду, т.е. металл должен быть глубоко раскислен.
После накопления необходимого количества углерода и кислорода (а оно может достигать не менее 40 атомов на один период решетки [7]) в зонах с растягивающими напряжениями, создаются все условия для возникновения химичтеского взаимодействия углерода и кислорода. Высокая упругая энергия за счет трения металла об валки при прокатке, высокая плотность дислокаций — их скопления, высокое содержание примесей внедрения, высокая концентрация вакансий и высокая температура за счет движения дислокаций обеспечивает начало энергоемкого процесса образования газообразного пузыря с продуктами взаимодействия углерода и кислорода (СО и С02). К выше перечисленным источникам энергии прибавляются энергия самого процесса взаимодействия: большое тепло от химической реакции, энергия от уничтожения плотной дислокационной структуры. Все виды энергии объединяются, что позволяет преодолеть противодействие сил поверхностного натяжения и образовать газовую пору, внутри которой находится газ при большом давлении. Оно для поры в молибдене равно 128 000, а в железе 100 000 атмосфер, что создает напряжение внутри металла 1280 кг/мм2 для молибдена и 1 000 кг/мм2 для железа. Действие этих больших напряжений слишком локально и кратковременно, так как большое сопротивление металла деформированию этой быстро возникшей силы приводит к образованию трещины, после чего давление газов снижается, и разрушение останавливается. Поэтому эта новая внутренняя сила может быть разрушающей только в том случае, если процесс порообразования происходит бурно с большой интенсивностью, расстояние между возникающими порами должно быть невелико, чтобы трещины образующиеся от них пересекались, и процесс разрушения (разделение целого на части) будет происходить под действием двух сил: внутренней и внешней. Только внутренняя сила может образовать зародышевую трещину, поэтому без ее действия разрушения не происходит. Если эта сила не возникает, металл обладает сверхпластичностью. Поэтому условно можно считать внешнюю приложенную нагрузку деформирующей, если ее величина вызывает напряжение больше предела текучести, внутренняя — разрушающей нагрузкой, даже если она возникает в пругой области действия внешней нагрузки.
Внутренняя сила, возникающая за счет взаимодействия углерода и кислорода (гидростатическое давление по Бриджмену), если она возникает редко и расстояние между порами настолько велико, что возникающие от них трещины не пересекаются внутри металла, все равно создает дополнительные напряжения, которые также будут подготавливать металл к разрушению. Степень участия этой силы в процессах подготовки металла к разрушению зависит от ее величины. Экспериментальные данные по микротекучести позволяют это сделать. При нагружении металла небольшими нагрузками (гораздо меньшими предела текучести) в нем происходит незначительная, но необратимая деформация [1, с. 38]. При упругих напряжениях близких к пределу текучести от внешней нагрузки величина деформации микротекучести намного увеличивается [1, с. 78]. В кристаллах меди достаточно высокого совершенства (плотность дислокаций 106/см2) наблюдалось интенсивное размножение дислокаций на стадии деформации предшествующих началу течения [2, с. 41]. Тоже самое наблюдалось на кристаллах железа, обладающих зубом и площадкой текучести: еще в упругой области происходила небольшая, но достаточно активная деформация [2, с. 141]. Действие внешней нагрузки ниже предела текучести сопровождается необратимой деформацией, что может произойти только под действием другой внутренней силы, и напряжения от нее по величине больше предела текучести. Она и производит деформацию. Следовательно, уже в упругой области при нагружении малыми внешними нагрузками возникает внутренняя сила, превышающая внешнюю по величине. Напряжение от нее больше предела текучести, поэтому и происходит небольшая, но пластическая деформация.
Увеличение напряжения выше предела текучести приводит к значительной деформации, увеличению плотности дислокаций, упрочнению металл, а следовательно к увеличению и упругих напряжений. Безусловно при этом должно активизироваться процессы насыщения металла кислородом, образование обогащенных кислородом и углеродом зон и появлением внутреннего гидростатического давления большой величины, которое впервые наблюдал Бриджмен в 1944 году.
Тогда не хватало знаний о быстром перемещении примесей внедрения в упругих полях напряжений, об увеличении содержания кислорода, об образовании зон с повышенной их концентрацией, о химическом взаимодействии углерода и кислорода. Поэтому трудно было установить настоящую причину возникновения очень большого гидростатического давления в центре круглого образца низкоглеродистого железа (разрушение «чашечкой»). Именно благодаря этому более высокому содержанию кислорода в металле возникают «преждевременные» деформации(микротекучесть и деформация металла до возникновения зуба и площадки текучести). Это позволяет утверждать, что еще в упругой области от действия внешней незначительной нагрузки (напряжение меньше предела текучести) возникают дополнительные напряжения близкие к пределу текучести, но немного больше его за счет действия внутренней силы, и становится понятным как и почему осуществляются такие процессы как усталость и текучесть. Таким образом, появление внутренней силы в металле за счет взаимодействия углерода с кислородом ускоряет процесс разрушения металла и является той характеристикой состояния металла, когда достижение сверхпластичности становится уже невозможным, а само разрушение — неизбежным. Никакая промежуточная «тренировка» металла, известная при испытании на усталость[1, с. 186], не окажет полезного действия.
Распространять данный механизм разрушения на все металлы преждевременно. Так для металлов, не обладающих растворимостью углерода в кристаллической решетке (например алюминий) необходимо провести дополнительные исследования, подтверждающие возможность этого процесса.
0,07% углерода в молибдене (это максимальное легирование углеродом) удаляются из молибдена при прокатке за 0,1 секунды, если прокатка осуществляется с малыми обжатиями за один проход. Снижение содержания углерода в молибдене происходит также при прокатке в вакуумном стане, при этом как только металл попадает в очаг деформации в вакуумном пространстве, массспектрометр фиксирует выделение газов с массой 28 (СО) и 44 (СО2) [7]. После выхода металла из очага деформации газовыделение прекращается. Нержавеющая и трансформаторная стали, прокатанные в вакуумных станах, также теряют до 60% углерода [8, с. 159], т.е. поведение углерода и кислорода (их взаимодействие) является общим процессом, происходящим в твердых металлах, при воздействии на них внешней нагрузки.
Если наблюдается уменьшение содержания углерода, то неизбежно возникает внутренняя сила (гидростатическое давление) по величине большее чем приложенная внешняя сила, и механическое поведение металла следует рассматривать под действием двух сил: внешней (легко управляемой) и внутренней (трудно управляемой по крайней мере на сегодняшний день). Внутренняя сила возникает всегда, если в металле содержание кислорода превышает некоторый предел, обеспечивающий начало процесса окисления углерода. Только с учетом действия двух сил, внешней и внутренней, можно понять механическое поведение металла, кажущееся противоречивым и запутанным. Это обусловлено тем, что процесс разрушения металла очень сложный. На непростое механическое поведение металла с большим количеством дислокационных процессов прибавляются химические процессы (образование карбидов, взаимодействие кислорода с карбидами и углеродом). Но если металл не разрушается (не может разрушиться), то это возможно только при отсутствии большой внутренней силы. Таким образом становится понятным, что процесс [С] + [О] = СО является важным металлургическим процессом, определяющим его разрушение. Уже сейчас ясно, что высокие пластичность, прочность и долговечность металла зависят от глубокого раскисления его, т.е. низкого содержания кислорода в кристаллической решетке. Это достигается деформацией при обработке давлением при напряжениях не допускающих растягивающих напряжений выше предела усталости, легирования металла углеродом с целью получения дисперсных карбидных фаз, мелкозернистого строения.
Рассмотрим несколько процессов, возникающих в металле с позиции существования двух действующих сил на металл. Зуб и площадку текучести можно понять с учетом возникновения второй
внутренней силы. Природа этого явления станет ясной если воспользоваться данными Т. Екобори [1, с. 77]. Он отмечает, что 0,002%С масс вызывает ярко выраженную текучесть (большие и зуб, и площадка текучести). Дальнейшее увеличение содержания углерода подавляет ее. Объяснить это можно, используя равновесие между углеродом и кислородом в металле: увеличение углерода в 100 раз (до 0,2% масс) должно уменьшить содержание кислорода примерно в 100 раз. Такое малое содержание кислорода затрудняет начало реакции между углеродом и кислородом. Взаимодействие углерода и кислорода сопровождается большим тепловыделением и возникновением большого давления. Именно эта выделяемая энергия обеспечивает значительную деформацию металла без упрочнения: площадка текучести горизонтальна. Аналогичное влияние углерод оказывает и на молибден: зуб и площадка текучести наблюдаются при низком содержании углерода (ниже 10-3% масс), при 10-2% масс углерода они отсутствуют. Действие внутренней силы может носить временный характер при условии небольшого содержания реагирующих компонентов. Если основная часть углерода и кислорода прореагировали и нет большого градиента напряжений, обеспечивающего приток новых атомов углерода и кислорода, то величина внутренней силы может значительно снижаться.
Часто на кривой растяжения наблюдается значительное, но плавное снижение сопротивления металла деформированию перед его разрушением. Так, поликристаллический молибден шестикратной зонной плавки во время испытания на разрыв при 4,2°К имел восьмипроцентное удлинение при непрерывном изменении кривой напряжения-удлинения, т.е. порог хрупкости отсутствовал [9]. В течение начала испытания наблюдалось упрочнение металла от 135 кг/мм2 (оу) до 180 кг/мм2. После четырехпроцентного удлинения сопротивление деформированию металла снизилось до 114 кг/мм2 и произошло разрушение. Если учесть уменьшение поперечного сечения и образование трещин (0,1% площади [10]), то образец разрушился при нагрузке 123 кг/мм2, что меньше предела текучести примерно на 12 кг/мм2. Резкое снижение сопротивления металла перед разрушением (со 180 до 123 кг/мм2) при пластической деформации во время испытания всего на 4% объяснить можно, если иметь в виду процесс взаимодействия углерода и кислорода: в первой половине деформации (4% относительного удлинения) образовались обогащенные углеродом и кислородом зоны, после деформации свыше 4% начинается активное взаимодействие углерода с кислородом, выделяется тепло и появляется внутреннее давление, что и приводит к снижению сопротивления металла деформированию и разрушению.
Учитывая процесс взаимодействия растворенных углерода и кислорода, легко понять появление дислокационной структуры типа «леса» дислокаций, что до сегодняшнего дня пока не нашло своего объяснения [3, с. 74]. Взаимодействие углерода и кислорода в твердом металле имеет взрывной характер: появление поры сопровождается также одновременно возникновением гидростатического давления (100 000 атмосфер в железе). Это высокое давление вызывает зарождение дислокации, но газовая пора очень быстро лопается, и действующая сила исчезает. По этой причине движение дислокации осуществляется только на очень короткое время действия давления в поре. В это время непрерывно возникают новые поры, но в разных местах, и под действием ближайшей поры, но уже с другой стороны, дислокация меняет свое направление. Иногда, на дислокацию действуют две или несколько пор, тогда движение дислокации осуществляется по сложной непрямолинейной траектории, и характер ее перемещения определяется не одним, а несколькими векторами Бюргерса, что подтверждается на практике [3, с. 74]. Таким образом возникает клубок переплетенных дислокаций, получивший название «лес» дислокаций. Если таких дислокаций возникает много и при этом усиливается звуковая эмиссия, то это является признаком возможного разрушения металла. Эти признаки могут возникать при напряжениях меньших предела текучести, для создания обогащенных зон достаточно упругих напряжений. Скорость появления высокого внутреннего давления в металле определяется исходным (до нагружения металла) содержания кислорода. Вот почему для торможения (а в ряде случаев полного исключения) зарождения разрушающей внутренней силы необходимо глубокое (максимальное возможное)
раскисление металла. Последнее достигается правильно выбранной схемой пластической деформации полуфабрикатов, исключающей возникновение растягивающих напряжений выше предела усталости, наличием в структуре металла мелкодисперсной карбидной фазы, размером зерна, применением промежуточных отжигов с целью раскисления металла углеродом и карбидами.
Дислокационные модели имеют безусловно большое практическое и научное значение: они по существу посвящены изучению возникающих максимальных напряжений от приложенной нагрузки, а это имеет большое значение и является промежуточной ступенью, обуславливающей создание обогащенных зон и последующей химической реакции между углеродом и кислородом. Именно эти работы показывают сколь сложен и многообразен путь металла к разрушению. В местах скопления дислокаций возникают максимальные напряжения, но они не достигают уровня разрушающих напряжений из-за осуществления процесса пластической деформации, и если процесс взаимодействия углерода с кислородом отсутствует, то металл при любых дислокационных скоплениях сверхпластичен. Об этом свидетельствует опыт Бриджмена, когда металл, обладающий низкой пластичностью и разрушающийся при низких нагрузках «чашечкой», после помещения его в атмосферу со значительным давлением воздуха стал разрушаться как сверхпластичный, потому что внешнее давление затормозило зарождение поры [1, с. 157]. Т. Екобори считает, что с помощью дислокационных моделей нельзя ни описать хрупкое разрушение, ни правильно предсказать прочность железа и стали [1. с. 149].
Знание механизма разрушения позволяет объяснить и предсказать разрушение, разработать технологию изготовления полуфабрикатов и технологических процессов, способствующих получению металла с высокими пластичностью и прочностью, низкой ползучестью и высокой долговечностью. Выводы
Разрушение металла происходит под одновременным действием двух сил: внешней рабочей или приложенной во время тех или иных механических испытаний; внутренней, возникающей под действием внешней силы, как следствие процесса химического взаимодействия растворенных углерода и кислорода в местах максимальных упругих напряжений. Величина внутренней силы превосходит величину внешней силы и теоретическую прочность металла и поэтому только она может вызвать образование зародышевой трещины. Список использованной литературы
1. Екобори Т. физика и механика разрушения и прочности твердых тел. Москва, Металлургия, 1971, 264 с.
2. Маклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. Москва. «Мир». 1970. 443 с.
3. Физическое металловедение под ред. Кана Р. Вып. 3, 484 с.
4. Полухин П.И., Воронцов В.К. Фотопластичность, применение метода к исследованию процессов обработки металлов давлением. Москва. Металлургия. 1965. 398
5. Гальперин М.Я., Глазунов М.Г., Данющенков И.А., Солодков А.И., Якушина А.И. Исследование сопротивления усталости молибденового сплава МЛТ-1 и его сварных соединениях // Проблемы прочности, Киев, 1974, № 11, с. 81-90
6. Фридель Ж. Дислокации. Москва, «Мир» 1967. 642 с.
7. Крупин А.В. Прокатка металла в вакууме. Москва. Металлургиздат. 1974. 245 с.
8. Булат С.И., Тихонов А.С., Дубровин А.К. Деформируемость структурно неоднородных сталей и сплавов. Москва, Металлургия, 1975, 351 с.
9. Lowley A., Van den Sype J., Maodin R. Tensile properties of zone - refined molybdenum in the temperature range 4,2-3730K J. Inst. Metals 91 N 1 v. 9/ 1962. 241J. Inst. Metals 91 N 1 v. 9/ 1962. 247
10.Хан Дж.Т., Авербах Б.А., Оуэн В.С., Коэн М. Возникновение микротрещин скола в поликристаллическом железе и стали. Атомные механизмы и разрушения. Москва, металлургиздат, 1963,с. 109
© Данющенков И.А., Рыжонков Д.И., 2017
