CC BY
27
УДК 621.785.797
I. О. ВАКУЛЕНКО, Ю. Л. НАДЕЖДЩ (Д11Т)
УМОВИ РОЗВИТКУ ПРОЦЕС1В ДИНАМ1ЧНОГО ДЕФОРМАЦ1ЙНОГО СТАР1ННЯ В СТАЛ1
В пор1внянн1 з односпрямованим деформуванням, попередне навантаження стискуванням супроводжу-еться зсувом моменту формування першого зриву напруження при розтяганш у 6iK бшьш великих деформа-цш. Величиии иопередньо! деформацп стискуванням i виникнення першого зриву напруження при розтя-raHHi практично дор1внюють одне одному.
Ключовi слова: сталь, розтягання, напруження, деформац1я, падшня напруження, деформацшне старшня, реверсивна деформащя
По сравнению с однонаправленным деформированием, предварительное нагружение сжатием приводит к сдвигу момента формирования первого срыва напряжения при растяжении в сторону больших деформаций. Величины предварительной деформации сжатием и появления первого срыва напряжения практически равны между собой.
Ключевые слова: сталь, растяжение, напряжение, деформация, падение напряжения, деформационное старение, реверсивная деформация
Contrary to the one-sided straining, after compressive predeformation with subsequent tension the shift of appearing the first stress stall to higher values of strains can be observed. The values of compressive predeformation and the strain of first stress stall appearance are approximately equal.
Keywords: steel, stretching, stress, strain, stress stall, deformation ageing, reverse deformation
В процес1 експлуатаци елементи рухомого складу шддаються дуже складним статичним I динам1чним навантаженням, що супроводжу-еться обов'язковою змшою комплексу власти-востей металевих матер1ал1в. Особливо небез-печними являються напруження що циктчно змшюються, втому чнсл1 з1 змшою напрямку навантаження. Пюля визначеного терм1ну часу експлуатацп, незалежно вщ структурного стану металу, накопичення дефекпв кристал1чно! бу-довн приводе до зниження опору виробу заро-дженню осередюв руйнування. 3 шшого боку, при змш1 знаку навантаження розвиток проце-с1в ашгшяцп за визначених умов, може приво-дити до уповшьнення темпу накопичення дефекпв в метал1 виробу, сприяючи зсуву моменту виникнення ушкодження в сторону бшьш тривалого термшу експлуатацп. Враховуючи, що процеси дифузшного масопереносу в знач-нш ступеш прискорюються при шдвищенш температури, перемщення домшкових атом1в (в першу чергу вуглецю для сталей) до дефекпв кристал1чно! будови буде супроводжуватися неодмшним зниженням !х рухомосн. На шд-став1 цього, розвиток процес1в блокування руху дислокацш шд час навантаження виробу при-веде до обов'язкового окрихлення металу як наслщок цього, до передчасного його вилучен-ня ¿з експлуатацп. Наведене явище в л1тератур1 мае назву деформацшне старшня [1].
Метою роботи було вивчення умов розвитку процес1в деформацшного старшня шд час навантаження у вуглецевих сталях в залежносн вщ схеми деформування.
Матер1алом для дослщження були вуглецев1 сташ з юльюстю вуглецю 0,1 та 0,5 %. Вихвдний структурний стан - теля нормал1заци. Дослщжен-ня проводили при односпрямованому I реверсивному деформуванш при температур! 250 °С.
При визначеному сшввщношенш темпера-турних I швидюсних параметр1в деформування та структури металу, на д1аграм1 розтягання можуть виникати немонотонносн в змш1 дефо-рмуючого напруження. Якщо при вщносно низьких температурах навантаження зриви напруження обумовлеш розвитком пластично не-стабшьно! течи [2], то при шдвищених температурах немонотонш змши напруження пов'я-заш з шшими процесами.
Найбшьш поширене пояснения щодо при-роди виникнення наведених зрив1в деформую-чого напруження при шдвищених температурах, як показано вище, засноване на взаемодп рухомо! дислокацп с хмарами домшкових ато-м1в. Наведеш об'еми металу з шдвищеиою коицентращею домшкових атом1в можуть фо-рмуватися як в процес1 руху дислокацш [1], так I за визначений термш часу, який ще називають часом очшуваиия (т0) [3]. Розглядаючи кшети-чш умови процесу блокування рухомо! дисло-
© Вакуленко I. О., Надеждш Ю. Л., 2011
кац11 хмарою з дом1шкових атом1в, що назива-ють динам1чним деформацшним старшням (ДДС), було визначено, що максимальный ефект досягаеться при виконанш стввщно-шення [1, 3]:
8 = Р„
I • Ь
(1)
формуванням дислокацшно! чарунково! струк-тури замють приблизно однорщного розподшу дислокацш, так 1 зриви напруження повинш бути зв'язаш з якюними змшами внутршньо! будови металу.
де рт - густина рухомих дислокац1Й;
в - макроскошчна швидкють деформацп;
I - довжина вшьного пробпу дислокацп;
Ь - вектор Бюргерса.
Анатз сшввщношення (1) показуе, що за умов постшно1 величиии в , люба змша х0 повинна мати свш вщбиток на рт .
Проведеними дослщженнями [2] було визначено, що формування зрив1в на кривш одно-спрямованого навантаження залежить вщ кшь-косп вуглецю в стат та мають сво! особливосп при виникненш. Так, в першому наближенш, за феноменолопею зубчасту течда можна розд1-лити на два типи. До першого типу слщ вщнес-ти виникнення окремих, ¿зольованих зрив1в де-формуючого напруження, яю чергуються з гладкими дшянками криво! навантаження (рис. 1). Другий тип - це коли на визначенш д1лянщ спостерпають формування зрив1в з неухильним зростанням ампттуди коливань деформуючого напруження (ав). Пюля досягнення визначено-го значения деформацп вщбуваеться зниження величини <5В. Пюля наведеного етапу знову формуються умови виникнення дшянки зрив1в з неухильним наростанням ампттуди. Пор1в-няльний анатз показуе, що у бшьшосп випад-юв при малих сумарних пластичних деформа-щях виникають зриви напруження першого типу. Пюля деформацш, яю перебшьшують приблизно 4.. .6 %, спостерпають формування зрив1в напруження другого типу. 3 урахуван-ням складних процес1в, що вщбуваються в метал! шд час деформацп при шдвищених температурах, межа, яка роздшяе дшянки з р1зною морфолопею зрив1в напруження, може бути характеристикою, що дозволить визначити природу наведеного явища. Пор1вняльний ана-л1з положения межи по шкал1 деформацш, яка вщповщае змш характеру зрив1в напруження (позначимо як в1), з деформащею моменту виникнення друго! д1лянки в обласп однорщного деформацшного змщнення (ОДЗ), указуе на юнування зв'язку м1ж ними [4]. 3 шшого боку, як показано в [2], виникнення переламу в облает! ОДЗ на логарифм1чнш д1аграм1 обумовлено
Д,мм
Рис. 1. Вигляд кривих розтягання при температур!
250 °С шеля попередньо! деформацп стискуванням (1 - 0 %; 2 - 2 %; 3 - 5 % 1 4 - 10 %) вуглецево! стал1 з 0,1 % С
Так, пор1вняно з односпрямованим наван-таженням, для якого деформащя виникнення зрив1в навантаження сшвпадае з моментом досягнення напруження плинносн [1], змша знаку деформацп, навпаки, супроводжуеться сутте-вим зеувом по шкат деформацш моменту виникнення першого зриву в сторону бшьших значень [4]. Для визначення причин, що приво-дять до гальмування розвитку процес1в ДДС при змш1 знаку навантаження, розглянемо по-ведшку металу в обласп малих пластичних деформацш, з використанням величини необер-неного руху дислокацш - с0:
к„
«м^л/рт,
(2)
де <5^ - напруження тертя кристал1чно1 реш1тки
металу;
ку - коефщент, який оцшюе ошр границ!
зерна деформацп, що розповсюджуеться; й - розм1р зерна;
а - параметр, що визначае вплив швидкосн деформацп на с0;
ц - модуль зеуву. Як евщчать експериментальш даш [1, 2], зб1-льшення кшькосн вуглецю в стал1 1 ступеня
а
СТ0 =с
односпрямовано! деформацп приводять до зро-стання величини с0. Пюля змши напрямку на-вантаження характер залежносп наведено! величини стае складшшим. Так, зростання попе-редньо! деформацп, наприклад стискуванням (в2) супроводжуеться при послщуючому роз-тяганш спочатку зниженням с0, а пот1м зрос-танням (рис. 2). Наведений характер змши с0 в значнш ступеш под1бний залежносп при роз-витку ефекту Баушингера при нормальних температурах нагр1ву. Розглядаючи окрем! складо-в1 р1вняння (2), необхщно вщзначити, що за умов постшних температури та швидкосп деформацп впливом перших двох додатюв можна зневажити. Тод1 сшввщношення (2) прийме вигляд:
ст0 ~л/РГ . (3)
Рис. 2. Вплив ступени деформацп стискуванням на с0 (а) I коефщент деформацшного змщнення (т) (б) при розтяганш.
Температура випробування 250 °С
Анатз сшввщношення (3) показуе, що за умов змши знаку навантаження, на початкових етапах деформування зниження рт, яке обумо-влене розвитком процешв ашгшяцй дислокацш що введен! при попередньому навантаженш, приведе до змши умов (1). В свою чергу це приведе до змши сшввщношення м1ж часом очшування (т0) та часом середнього пробпу дислокацш (т1). 3 урахуванням того, що для розвитку процешв ДДС необх1дно виконання
умов х0 «Tj, компенсувати наведений вплив можна за рахунок зниження в . За незм1нно! в , для шдтримки умов розповсюдження пластично! деформацп шдвищаться локальн1 швидкосп руху дислокац1й, внасл1док чого зменшиться х1. За умов т1 ^ х0 процеси ДДС не будуть ма-ти розвитку. При послщуючому деформуванн1 розтяганням, пропорц1йно ступеню пластично! деформац!! pm буде зростати, а система почне наближуватися до умов розвитку процешв ДДС лише теля х0 «т1. Враховуючи, що текуче значения напруження теч!! шдпорядковуеться р!внянню (2), умови розвитку ДДС будуть досягнут! лише теля деформацп, яка приблизно дор!внюе деформацп попереднього стискуван-ня. П!дтверджуеться наведене положения зале-жностями, як! наведен! на рис. 2. 3 шшого боку, на приклад! низьковуглецево! стал! (0,1 % С) визначено, що теля малих ступен!в деформац!! густина дислокац!й поблизу меж м!ж зернами фериту буде б!льшою, н!ж всередиш зерна [1], б!льшою буде також i концентрац!я дом!шко-вих атом!в поблизу меж. В процес! попереднього стискування дом!шков! атоми (атоми вугле-цю) в першу чергу будуть взаемод!яти з дисло-кащями поблизу меж м!ж зернами, гальмуючи !х рух. П!сля зм!ни знаку навантаження (початок розтягання) дислокацп, як! розташован! всередин! зерна, теля стискування будуть вза-емод!яти з новими, що врешт!-решт приведе до !х ан!г!ляц!! i зниження с0. Протилежно цьому дислокац!!, що заблоковаш при стискуванн! та як! розташован! поблизу меж м!ж зернами, на-впаки - будуть сприяти п!двищенню величини с0 [4]. Ефект сумарного впливу на с0 наведений на рис. 2.
В сталях i3 шдвищеним вм!стом вуглецю об'емна частка цементиту буде збшьшуватися в пор!внянн! з низьковуглецевою сталлю. На п!д-став! цього, середня довжина шляху (розм!р зерна структурно вшьного фериту i розм!р м!ж-карб!дно! в!дстан! у ферит! перл!ту) для доставки атом!в вуглецю вщ карб!д!в до дислокац!й повинна зменшитися, що може розглядатися як прискорення розвитку процес!в ДДС. 3 шшого боку, необхщно враховувати, що головний вплив в!д зростання об'емно! частки цементиту зв'язаний 3i збшьшенням сумарно! площини м!жфазово! поверхн! розподшу м!ж феритом i цементитом та з тим, що сама границя е як Mic-цем зародження дислокац!й, так i !х ашпляцй. На п!дстав! цього, чим бшьша площина границь м!ж фазами, тим бшьша густина рухомих дис-локацш формуеться за поодинну ступ!нь дефо-
рмацп. Таким чином, умови ефективио! взае-модп м1ж рухомими дислокащями та атомами вуглецю повииш зсуватися у б1к бшьших сума-рних деформацш. Пщтверджуеться иаведеие положения характером залежност1 величини с0 та т для стал1 з 0,5 % С. Як свщчать експери-ментальш даш [2, 4], аж до деформацп стиску-ванням 4...5 % спостерпаеться суттеве зни-ження с0 1 зростання т . Пов'язане це з яюс-ними змшами дислокацшио! структури фериту сталь Вщомо, що при односпрямованому дефо-рмуваиш розтяганням дислокацшиа чарункова структура в сталях з к1льк1стю вуглецю 0,5 % починае формуватися приблизно п1сля 4... 5 %. Наведене явище в значнш ступен1 знижуе темп накопичення дислокацш, що пояснюеться упо-в1льненням 1х руху 1 розвитком ан1г1ляц1йних процес1в. На п1дстав1 цього, зм1на с0 та т ¿з зростанням деформацп стае значно меншою. Таким чином, можна говорити про одиочасиий вплив з боку зерен структурно вшьного фериту 1 фериту перл1ту на процеси розвитку процес1в ДДС. Причому, сп1вв1диошеиия м1ж фазовими складовими стат, в залежиост1 в1д к1лькост1 вуглецю, визначае посл1довиу зм1иу дом1иую-чого 1х впливу на розвиток наведених процес1в.
Таким чином, у вуглецевих сталях при не-зм1ииих температурно-швидкюних умовах де-формуваиия, т1льки змша знаку навантаження супроводжуеться приги1чуваииям розвитку процес1в ДДС. Аиалог1чиий характер впливу спостерпаеться i при п1двищеии1 вмюту вуглецю в стал1, що пов'язано 3i зростанням дефор-мацп формування дислокац1йиих чаруикових структур.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Долже-нков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
2. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали [Текст] / И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Д., 2008. -196 с.
3. Schoeck, G. The Portevin - Le Chatelier effect, a kinetic theory [Text] / G. Schoeck // Acta met. -1984. - № 8. - P. 1224-1234.
4. Вакуленко, И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании [Текст] / И. А. Вакуленко. - Д.: Gaudeamus, 2003. - 94 с.
Надшшла до редколегп 16.12.2010.
Прийнята до друку 21.12.2010.
