Реферат: Сверхпластичность

В результате высокочувствительных измерений деформаций было отмечено, что у многих материалов небольшаяпластическая деформация (порядка <img src="/cache/referats/1414/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">) наблюдаетсяпри напряжениях, значительно меньших обычного напряжения макроскопической текучести.Поскольку эта пластическая деформация должна быть связана с движениемдислокаций, правомерно считать, что микродеформациядолжна зависеть от динамических свойств10^-6 дислокаций иследовать тем же законам, которые действительны в области макродеформаций.Таким образом, нет необходимости создавать отдельные объяснения пластическоготечения перед макроскопической текучестью и после нее.

Важно отметить, что дляпроявления микродеформации требуются подвижныедислокации. В частности для железа это означает, что для обеспеченияпоступления свежих (незакрепленных) дислокаций необходима предшествующаядеформация. Если образец испытывают в отожженном состоянии, то его поведениеоказывается совершенно упругим почти до верхнего предела текучести, вследствиезакрепления источников дислокаций примесями внедренных атомов. Предполагается,что если бы материалы были в достаточной мере чистыми, то для наблюдения микропластичности предварительная деформация не нужна.

Двумя основными параметрами микродеформации являются <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> и <img src="/cache/referats/1414/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (предел упругости ипредел неупругости).

Предел упругости <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> может быть определенкак напряжение, при котором обнаруживается первое отклонение от линейногоупругого поведения. Его обычно принимают равным напряжению, при которомнаблюдается петля гистерезиса в результате испытания посредством нагружения — разгрузки, или же — напряжению, при которомзависимость площади петли от приложенного напряжения экстраполируется к нулевойплощади. Данные обоих этих методов обычно совпадают совпадаютв пределах ошибки эксперимента. При соответствующих экспериментальных условияхзначение <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> может быть связано снапряжением трения. Напряжение трения это такое напряжение, которое необходимодля того, чтобы продвинуть наиболее подвижные дислокации через ближнедействующие энергетические холмы в решетке. Этодвижение в большей или меньшей мере облегчено термическими флуктуациями взависимости от требуемой в каждом данном случае энергии активации.

Составы исследуемых сталей

Материал

C+N, % (по массе)

Другие компоненты, %

0,006

¾

0,035

¾

Fe-Ti

0,018

0,15 Ti

Fe-Si

0,001

3,10 Si

Изменение <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> с темпера-туройдля железа различного состава показано на рис. 1. Эти эксперименты проведены наполикристаллическом железе с размером зерна около 0,5 мм, за исключением сплаваFe-Si, имеющего размер зернаоколо 2 мм. Экспериментов по микроде-формациимонокристаллов же-леза не проводили.

Дислокационныймеханизм, связанный с обратимым пластическим течением, которое первоначальнонаблюдается при <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> перегибов на краевых дислокациях.

Такое заключениеподтверждает то, что краевые дислокации имеют намного меньшее напряжение Пайерлса, чем винтовые и, таким образом, они будутдвигаться первыми при более низких напряжениях, особенно при низкихтемпературах.

Рис. 1.Изменение <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> от температуры дляжелеза различного состава, предварительно деформи-рованногопри комнатной температуре: 1 — Fe-Si(вверху) и F4 (внизу)охлаждение с печью; 2 — F4закалка и старение при 60°

С в течение часа; 3 — F5 охлаждение с печью и закалка;4 — данные Коссовского и Брауна.

Первоначальнопринимали, что если <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> соответствуетначальному движению перегибов на краевых дислокациях, то <img src="/cache/referats/1414/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> характеризуетнапряжение, необходимое для того, чтобы сдвинуть винтовые дислокации. Позднеебыло показано, что <img src="/cache/referats/1414/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> для железа при 77°

К действительно представляет собойнапряжение, при котором дислокационные петли необратимо расширяются врезультате движения на большие расстояния очень больших отрезков краевыхдислокаций.

Рис. 2. Сравнение кривых микродеформации,полученных при последовательных циклах нагружения при77°

К для железа F5, предварительнодеформированного на 3,5 % при комнатной температуре.

Краевые компоненты дислокаций при низкихтемпературах могут легко передвигаться на довольно большие расстояния, оставляяпозади себя следы из относительно неподвижных винтовых дислокаций. Притоккраевых дислокаций быстро исчерпывается, что приводит к значительномууменьшению пластической деформации, когда образец нагружен до уровня, лежащеговыше <img src="/cache/referats/1414/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

Измерение <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> и <img src="/cache/referats/1414/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> является весьмапростым способом определения влияния примесей, выделений и легирующих элементов.Движение краевых дислокаций представляет собой простой случай, поскольку оно несвязано с поперечным скольжением и в чистых металлах характеризуется оченьслабой температурной зависимостью. Следовательно, не возникает затруднений приотделении эффектов связанных с влиянием состава, от других конкурирующихявлений, как это происходит при движении винтовой дислокации.

Далее рассмотрим условияобразования замкнутых петель гистерезиса, так как оно играет важную роль вэкспериментах нагружение — разгрузка по измерению микродеформации.

Анализ замкнутых петельгистерезиса в экспериментах по микродеформацииоснован на предположении, использованном для объяснения гистерезиса вкоординатах <img src="/cache/referats/1414/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> в областимакропластической деформации. Это предположение может быть использовано длямикроскопического масштаба с помощью преобразования максимального значенияфлуктуации поля внутренних напряжений и обратного напряжения, создаваемогодислокационными плоскими скоплениями у препятствий, в <img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> — эффективную высоту ближнедействующих холмов напряжений (решеточное трение) и <img src="/cache/referats/1414/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (которое сохраняетсвой первоначальный смысл) соответственно. Далее можно показать, что длянаблюдения замкнутых петель гистерезиса необходимы специальные условия. Можнопринять, что в отожженных образцах имеется некоторая плотность подвижных (тоесть незакрепленных) дислокаций и что все дислокации подвержены воздействиюодного и того же упругого дальнедействующегонапряжения <img src="/cache/referats/1414/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1042">

Следует помнить, что <img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> представляетэффективное напряжение трения, то есть термическая активация может помогатьдислокациям преодолевать ближнедействующие барьеры,так что наблюдаемое значение <img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1044">нагружения.Однако в дальнейших рассуждениях мы примем, что плотность подвижных дислокацийпостоянна и, таким образом, скорость пластической деформации пропорциональнаскорости дислокаций. Кроме того, отметим, что разность между приложеннымнапряжением <img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> и <img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> равна <img src="/cache/referats/1414/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1047">

Если отожженный образецнагружен до <img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1048"><<img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1049"><img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1050"><<img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1051"><<img src="/cache/referats/1414/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1052">3, а).Для того, чтобы образовать замкнутую петлю в координатах <img src="/cache/referats/1414/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> этот образец следуетнагружать сжатием.

Рис. 3. Схематические кривыев координатах <img src="/cache/referats/1414/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1054">

Рассмотрим следующий случай(рис. 3, б). Отожженный образец нагружается до <img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1055">><img src="/cache/referats/1414/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> и затем разгружается.Получающаяся при этом кривая изображена сплошной линией. Если предварительнодеформированный образец теперь снова нагрузить до <img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1057">><img src="/cache/referats/1414/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1058"> и разгрузить до <img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1059"><img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1060"><img src="/cache/referats/1414/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1061"><img src="/cache/referats/1414/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1062"> и он уже будетоставаться таким независимо от величины полученной деформации.

В настоящее время фактическивсе эксперименты в области микродеформации проводят вусловиях, предусматривающих предварительную деформацию, для того, чтобы достичьнекоторого выравнивания. Это несколько изменяет условия образования замкнутыхпетель, как показано на рис. 3, в. Предположим, что образец предварительнодостаточно деформировандля получения замкнутой петли,начиная и заканчивая при <img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1063"><img src="/cache/referats/1414/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1064"> и получим замкнутыепетли в новых координатах <img src="/cache/referats/1414/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1065"><img src="/cache/referats/1414/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1066"><img src="/cache/referats/1414/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1067"> до <img src="/cache/referats/1414/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1068">p‘,лежащую на пересечении исходной петли гистерезиса с новой осью деформации <img src="/cache/referats/1414/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1069"><img src="/cache/referats/1414/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1070">
до <img src="/cache/referats/1414/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1071"><img src="/cache/referats/1414/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1072">

Интересно заметить, чтовсегда можно измерить <img src="/cache/referats/1414/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1073">нагружения, до тех пор покапредварительнаянагрузка ниже <img src="/cache/referats/1414/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1074">

Рассмотрев некоторые параметры,служащие для описания микродеформации, перейдем крассмотрению эффектов, которые могут быть описаны с использованием микродеформации.

Роль величины зерна. Многие теории влияния величены зерна намакроскопический предел текучести рассматривают образование скопленийдислокаций у границ зерен. Плоское скопление дислокаций вызывает концентрациюнапряжений, причем коэффициент концентрации пропорционален квадратному корню издлины скопления. Теоретические данные предсказывают, что в соответствии с результатамиэкспериментов:

где d — диаметр зерна. Теория может быть проверена болеедетально с помощью измерений микродеформации,связанной с образованием плоских скоплений дислокаций.

Рис. 4. Кривые деформациижелеза, полученные при непрерывной записи, показывающие влияние размера зернана начальную часть кривой. Испытания при комнатной температуре. Диаметр зерна:1 — 0,044 мм; 2 — - 0,074; 3 — 0,111; 4 — 0,14

Рис. 5.Квадратичная зависимость между напряжением и пластической деформацией дляжелеза при различном размере зерна. Диаметр зерна: 1 — 0,044 мм; 2 — 0,074; 3 — 0,111; 4 — 0,14

Было показано, чтопредшествующая текучести микродеформация связана сприложенным напряжением соотношением

где <img src="/cache/referats/1414/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1077"> — микропластическаядеформация;

<img src="/cache/referats/1414/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1078"> — напряжение генерациидислокаций от источника внутри зерна;

<img src="/cache/referats/1414/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1079"> — приложенноенапряжение;

d — диаметр зерна;

<img src="/cache/referats/1414/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1080"> — плотность источников;

G — модуль сдвига;

B — постоянная величина, равная приблизительно1/2. Уравнение основано на следующих предположениях:

·выстроившиеся в ряддислокации генерируются источником внутри зерна;

·выстроившиеся в ряддислокации создают обратное напряжение, действующее на источник, причем еговеличина пропорциональна числу дислокаций в скоплении, которое в свою очередьобратно пропорционально диаметру зерна;

·<img src="/cache/referats/1414/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1081"> — количествоисточников в единице объема постоянно и не зависит от размера зерна.

Данные, полученные на меди ижелезе, согласуются с теоретическими результатами. На рис. 4 показано влияниеразмера зерна на начальную часть кривой напряжение — деформация, а из рис. 5видно, что как и предполагалось, <img src="/cache/referats/1414/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1082"> линейно зависит от <img src="/cache/referats/1414/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1083"><img src="/cache/referats/1414/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1084">Fe-Si, серебро, алюминий и <img src="/cache/referats/1414/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1085">

·дислокации могутгенерироваться у границ зерен, как в случае сплава Fe-Si;

·внутризереннаясубструктура может стать существенным препятствиемдля скольжения и плоские дислокационные скопления с дальнодействующими поляминапряжений не могут образовываться у границ зерен.

Верхний и нижний пределы текучести.Существуют две точки зрения на верхний инижний пределы текучести. Одна основана на сильном закреплении всех дислокацийи внезапном скачке деформации при генерации источников или освобождении этихдислокаций. Другая основана на динамическом размножении небольшого числаначальных дислокаций, которые сначала движутся при низком напряжении и,соответственно, с низкой скоростью.

В предельном случае теория,основанная на сильном закреплении дислокаций, предполагает, что микродеформация не будет наблюдаться, пока напряжение нестанет примерно равным верхнему пределу текучести. В теории динамическогоразмножения верхний предел текучести соответствует случаю, при котором скоростьупругой деформации равна скорости пластической деформации; поэтомупредполагается большая величина микродеформации,предшествующей верхнему пределу текучести, причем микродеформациядолжна впервые наблюдаться при напряжении заметно ниже верхнего пределатекучести. Не вызывает сомнения, что данные, полученные на германии, кремнии ифтористом литии, подтверждают идею динамического размножения
Гилмана — Джонстона, но окаждом материале следует судить отдельно. Эксперименты по микродеформациипоказали, что сталь, содержащая 0.95% С, со сфероидальной структурой ведет себявполне упруго вплоть до верхнего предела текучести, по крайней мере причувствительности аппаратуры по пластической деформации около <img src="/cache/referats/1414/image048.gif" v:shapes="_x0000_i1086">

Хрупкие материалы.Метод микродеформации — это потенциальныйспособ изучения скольжения в хрупких материалах. В экспериментах с макродеформацией разрушение происходит раньше, чемнаблюдается пластическое поведение. На рис. 6 приведены данные по прочностимартенсита при комнатной температуре в зависимости от температуры отпуска. Таккак деформация при измерении напряжения микротекучести<img src="/cache/referats/1414/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1087"> была мала, все данныерис. 6 получены для одного образца.

Рис. 6. Изменениемикроскопического предела текучести и твердости закаленной стали 4140 приотпуске. Закалка с 855°

С:

1 — первая закалка; 2 — вторая закалка и охлаждениев жидком азоте; пунктирные линии — макроскопический предел текучести

Интересно отметить, чтопредел микротекучести хрупкого мартенсита закалкиневысок. Был использован метод микродеформации дляизучения упрочнения мартенсита. Результаты показывают, что при очень высокойплотности дислокаций в свежезакаленном мартенсите онипервоначально подвижны, но движущиеся дислокации быстро затормаживаются вобласти микродеформаций из-за высокой концентрациирастворенного углерода. Максимум прочности при 220°

С связан с блокированием дислокаций частицамикарбида железа.

Торможение точечными дефектами.Точечные дефекты, возникающие при пластическойдеформации, отжигаются, причем имеется несколько стадий процесса (I — V) какпоказано на рис. 7. Механизм стадии IIявляется в значительной меренеопределенным. Стадия III,вероятно, является следствием движения атомов внедрения к вакансиям и иханнигиляции; стадия IV — следствие движения вакансий к стокам, таким какдислокации или другие вакансии; аннигиляция дислокаций происходит на стадии IV.Некоторые исследователи связывают стадию IIIcдвижением дивакансий. Какой бы ни была природа точечных дефектов налюбой стадии, они будут взаимодействовать с дислокациями и закреплять их.Измерение напряжения освобождения дислокаций покажет прочность закрепления. Таккак закрепление слабое, а освобождение происходит при малых пластическихдеформациях, измерить этот эффект при макроскопическом эксперименте невозможно,потому что дислокации освобождаются до того, как наблюдается макроскопическийпредел текучести. На рис. 8 показан эффект закрепления точечными дефектами.

Рис. 7. Стадии возвратахолоднодеформированного никеля высокой чистоты по данным измерений электросопротивления в течение 1 (1) 10 (2) и 20 мин (3)

Рис. 8. Данные по микродеформации никеля, очищенного зонной плавкой,подвергнутого ударной деформации и отжигу: 1 — после ударной деформации (70 кбар); 2 — после отжига при 310°

С;3 — после отжига при 310°С и деформации 0,9%

До закрепления величина <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1088"> равна 37.1 <img src="/cache/referats/1414/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1089"> (3.71 <img src="/cache/referats/1414/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1090">IVпри 310°

С <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1091"> увеличивается примернона 14.0 <img src="/cache/referats/1414/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1092"> (1.4 <img src="/cache/referats/1414/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1093"><img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1094"> уменьшается примернодо своей первоначальной величины, поэтому можно утверждать, что увеличениепредела текучести на 14.0 <img src="/cache/referats/1414/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1095"> (1.4 <img src="/cache/referats/1414/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1096">

где l — среднее расстояние между вакансиями вдоль линии дислокации.

Возможно также, что вакансииобразуют скопления вдоль дислокации; в этом случае работа для перерезания скопления равна

где d — эффективный диаметр скопления;

l — среднеерасстояние между скоплениями.

Напряжение Пайерлса.В кристалле всегда имеетсясопротивление решетки движению дислокаций, или напряжение Пайерлса.Однако его влияние часто маскируется влиянием примесей и других дислокаций.Измерение напряжения Пайерлса также осложняется тем,что движение дислокаций может происходить с образованием перегибов, а не врезультате жесткого движения всей дислокационной линии. Тем не менее, еслиоценивать эффект напряжения Пайерлса, то необходимопроводить эксперимент в области микродеформации,потому что напряжение Пайерлса будет активнодействовать на самой ранней стадии движения дислокации, то есть до того, какначнут проявляться другие эффекты. Поэтому при исследовании характеристиктемпературной зависимости деформации о.ц.к. металлов,где, как часто считают, преобладает напряжение Пайерлса,измерения микродеформации дают наибольшую информацию.

Увеличение <img src="/cache/referats/1414/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1099"> в области температурниже 50°

К считается результатомвклада напряжения Пайерлса. Выше 50°К оказывают эффективное влияние толькопримеси, так как термическая активация сводит на нет вклад напряжения Пайерлса в предел упругости железа.

Кристаллические полимеры.Большинство кристаллических полимеров сложнее, чемнаименее совершенный металлический или ионный кристалл. Следовательно, видыдеформации еще менее определены. Для разделения кристаллографической и некристаллографической деформаций была сделана попыткаиспользовать метод микродеформаций.

На рис. 9 показан вид кривыхмикродеформации, полученных для кристаллическогополиэтилена. Кривая деформации очень чувствительна к скорости деформации. Послеразгрузки образца происходит возврат деформации во времени, так что черезнекоторый период остаточная деформация исчезает. Для определения влиянияскорости деформации на модуль необходимо использовать один и тот же образец.

Так как в экспериментах по микродеформации структура образца нарушается незначительно,можно использовать один и тот же образец снова и снова до тех пор, покадеформация остается полностью обратимой.

Было показано, что модульЮнга в области микродеформации больше, чем вэкспериментах по макродеформации. Действительно,начальный статический модуль в области микродеформацииочень близок к динамическому модулю, определяемому при частоте порядкамегагерц. Последнее следует особо отметить, потому что большинство инженерныхконструкций проектируется для работы в «упругой» области, которая фактическиоказывается областью микропластичности.

Рис. 9. Кривые микродеформации для полиэтилена, имеющего на 80%кристаллическое строение.

РоссийскийГосударственный Технологический Университет

РГТУ-МАТИ

Курсоваяработа по материаловедению.

Тема: Микропластичность.

Преподаватель: Ботвина Л.Р.

Выполнил: Кузнецов В.Ю.

Москва1998

Теория микродеформаций,основанная на динамике дислокаций, не исключает того, что в некоторых случаяхтакже может играть большую роль закрепление и разблокирование дислокаций. Внаиболее сложных случаях разблокирование наблюдается при всех значенияхнапряжений вплоть до напряжения макроскопической текучести и в результате будетиметь место комбинация эффекта разблокирования и микродеформацииза счет динамических свойств дислокаций. Но возможен и такой случай, когда вседислокации в материале закреплены. Тогда их перемещение будет наблюдатьсятолько при достижении верхнего предела текучести. В этом случае микродеформации, предшествующей текучести, не будет.

Напряжение трения и внутреннее трение. При циклическом нагружении образца очень

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Обзор методов получения пленок и их свойства

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Электроэрозионная обработка

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Теории деформационного упрочнения монокристаллов

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Свойства машиностроительных материалов

29 Августа 2013