Поведение металлов при повышении температуры (стр. 4 из 5)
Вид диаграмм деформирования монокристальных образцов ГЦК-металловсущественно меньше зависит от температуры испытаний. Независимо от температуры на истинных диаграммах «напряжение сдвига — относительный сдвиг» можно отметить наличие трех стадий пластической деформации: 1 — легкого скольжения, 2 — множественного скольжения, 3 — скольжения с переползанием (рис. 3). Следует заметить, что температура оказывает влияние на протяженность стадий. Наиболее четко все три стадии деформации наблюдаются при механических испытаниях в среднем интервале температур
200>Ти>50 К. С понижением температуры увеличивается степень деформации по механизму легкого и множественного скольжения (1 и 2)
стадии сокращается степень деформации по механизму переползания.
Поэтому для низкотемпературной диаграммы 3 стадия деформации выражена слабо или совсем отсутствует. Высокотемпературная диаграмма, наоборот, характеризуется отсутствием 1 стадии, степень деформации по механизму множественного скольжения обычно невелика. Деформация происходит, главным образом, по механизму скольжения с переползанием. По этой причине в процессе испытаний при температурах. выше 300 К, когда процессы деформационного упрочнения и разупрочнения ( за счет возврата или рекристаллизации) происходят одновременно, параболический участок
кривой τ — g может выродиться в горизонтальную прямую. В некоторых случаях может наблюдаться деформационное (динамическое) разупрочнение и соответственно на диаграммах τ — gпоявляется максимум τ и ниспадающий участок.
Сопоставляя диаграммы деформирования (рис.3 и 4), можно заметить и количественные закономерности изменениямеханических характеристик по мере изменения температуры. Видно, что с повышением температуры уменьшается величина модуля упругости, предела текучести, предела. прочности и характеристик пластичности.
Рис.3. Влияние температуры на закономерности деформационного упрочнения монокристаллов никеля
Физически величина модуля упругости Е определяется,
главным образом, силами межатомной связи и слабо зависит от наличия в структуре вторичных фаз. Модуль упругости приближенно можно считать обратно пропорциональным параметру решетки а:
(1)
С повышением температуры увеличивается амплитуда: тепловых колебаний ионов относительно точек равновесия в решетке металла, соответственно увеличиваются межатомные расстояния — параметры решетки. Как следствие, с ростом температуры модуль упругости должен уменьшаться. Температурный коэффициент η уменьшения модуля Е можно
установить по коэффициенту линейного расширения а, который является макроскопическим аналогом коэффициента теплового роста параметров решетки. Как показал Я. Б. Фридман, отношение η/а (температурного коэффициента модуля упругости и теплового расширения) для каждого металла
есть величина постоянная, равная -0,04. Учитывая, что коэффициент термического расширения большинства металлов колеблется в пределах (4,6 — 17) мк-1, температурный коэффициент модуля упругости должен составлять 1 — 4.10-4 или 1— 4% на 100°С.
Эксперименты (рис.4) подтверждаются расчетами: при повышении темпе-
ратуры на 100 °С изменение модуля упругости составляет 2 — 4%.
Как следует из выражения (1), зависимость Е (Ти)
является параболической. Однако поскольку зависимость модулей упругости от температуры очень слабая, она часто представляется в виде прямой.
Рис. 4. Температурная зависимость модуля упругости металлов
Величина предела текучести GТ
или критического напряжения сдвига τг имеет довольно сложную зависимость от температуры испытаний (рис.5). Как правило, понижение температуры приводит к увеличению предела текучести. Причем степень зависимости τТ(Ти) определяется чистотой металлов. Для чистых металлов понижение температуры увеличивает критическое напряжение τТ в меньшей степени, чем для сплавов. Увеличение содержания примесей и легирующих элементов сопровождается усилением температурной зависимости предела текучести. Качественно на кривой температурной зависимости τТ(Ти) можно выделить три уча-
стка: 1 — низко-, 2 — средне- и 3 — высокотемпературный. Первый и третий участки характеризуются довольно значительной зависимостью τТ от температуры, на втором участке критическое напряжение практически постоянно.
Рис. 5. Влияние температур на предел текучести ГЦК – металлов.
Сложность температурном зависимости предела текучести
обычно связывается с различием механизмов Деформации и характера формирующихся дислокационных структур при различных температурах,; испытаний. Действительно, при различных температурах существенно изменяется вклад термических флуктуаций в величину сопротивления пластической деформации. Значительно различаются возникающие при равной деформации плотность дефектов кристаллического строения-вакансий, дислокаций; характер и устойчивость атмосфер и кластеров; размеры совершенство блоков мозаики. Для упрощения анализа температурной зависимости τТ(Ти) предел текучести часто рассматривают как сумму трех независимых компонент; атермической τG, термической τ* и структурной Куd-1/2
τТ= τG+ τ*+ Куd-1/2(2)
предела текучести зависит от
температуры только косвенно через модуль сдвига (или упругости). Величина атермической составляющей определяется сопротивлением движению дислокаций, создаваемым силовыми полями дальнего действия. Например, полями упругих взаимодействий дислокаций, движущихся в параллельных плоскостях скольжения, полями упругих взаимодействий
скоплений дислокаций с границами зерен или блоков матрицы или с частицами второй (упрочняющей) фазы. Атермическая компонента напряжения, течения в явном виде формирует уровень предела текучести в среднетемпературном
интервале, ограниченном сверху гомологической температурой ~0,4 — 0,45, снизу ~0,02 — 0,25 (от температуры плавления металла па Кельвину) .
Термическая компонента τ* прямо зависит от температуры
и скорости деформации, поскольку она обратно пропорциональна величине термических, флуктуаций энергии, облегчающих дислокациям преодоление близкодействующих барьеров. В ГЦК – металлах величина активационного объема составляет 2 — 13 нм2, т. е. путь - перескока дислокаций за
счет флуктуаций энергии может достигать 1,2 — 2,5нм. Следовательно, барьерами для дислокаций в ГЦК – металлах являются дислокации леса, пороги, дефекты упаковки.
Рассмотрим механизм. преодоления барьеров дислокацией за счет термических, флуктуаций. Пусть подвижная дислокация ММ за счет напряжения. τТ приблизилась к препятствиям в виде дислокаций леса Л образовала синусоидальные петли с радиусом R. Лес дислокаций представ-
ляется потенциальным барьером, который оказывает дислокации сопротивление движению в соответствии с зависимостью силы отталкивания Fот пути перемещения дислокации в направлении препятствия. Минимальная
общая энергия U0, необходимая для преодоления барьера,
равна площади ОВЕ, а минимальная суммарная сила — F0.
Частьтребуемой работы ОАDдислокация совершает за счет действующего напряжения τТ приближаясь к лесу на расстояние ∆х. Остальная часть энергии может быть получена только с помощью флуктуаций энергии, возбуждающих тепловые колебания линии дислокации. При этом работа - Uф,
совершаемая за счет термической активации, пропорциональна площади треугольника СDЕ. Как видно на графике, Uф
составляет лишь часть требуемой работы. Вторую часть работы совершают с помощью термической флуктуации силы упругих взаимодействий. Графически работа упругих сил равна площади прямоугольника АВСD, высота которого равна действующей на линию дислокации силе τТbl, а ширина — пути активации ∆х'. Вероятность возникновения флуктуаций
энергии, равных U0, определяется по формуле
(3) Когда возникает требуемая флуктуация энергии, линия дислокации под действием суммарной силы F0перескакивает из заторможенного положения ММ в свободное NNи под действием напряжения τТ продолжает движение до следующего препятствия РР.Влияние термической компоненты τ* на величин предела текучести
наиболее выражено в интервале температур
ниже 0,2ТплК. При отмеченных температурах зависимость τТ (Т) графически представляется в виде крутопадающей кривой, асимптотически, переходящей в горизонтальный, среднетемпературный участок. Резкая зависимость предела текучести от температуры при Ти<0,2ТплК объясняется следующим образом. С повышением температуры механических испытаний возрастает амплитуда тепловых колебаний линий подвижных дислокаций относительно положений равновесия, соответствующих приложенным напряжениям. Как
следствие, это сопровождается увеличением вероятности р возникновения флуктуации с энергией Uфи уменьшением величины термической компоненты τ*. Соответственно уменьшается предел текучести τТ= τG+ τ*+ Куd-1/2. При температурах в интервале (0,2 — 0,4)ТплК флуктуации энергии настолько велики, что они обеспечивают возможность преодоления близкодействующих препятствий при любой температуре, если приложено напряжение, равное