Ротационный характер пластического течения в стали с гетерофазной структурой Текст научной статьи по специальности «Физика»

нии соседних пластин минимально или вообще не наблюдается. Это позволяет рассматривать такую структуру как механическую систему с жесткими связями, обладающую низкой релаксационной способностью. В то же время, при увеличении межпла-стинчатого расстояния степень согласованности в поведении деформируемых пластин постепенно снижается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Батаев В.А., Батаев А.А., Которов С.А., Тушинский Л.И. Особенности разрушения упорядоченно выделенного избыточного цементита в заэвтектоидных сталях // МИТОМ. 1999. № 3.

С. 11-13.

2. Окишев К.Ю., Мирзаев Д.А., Счастливцев Д.М., Яковлева И.Л. Изучение структурных особенностей цементита в перлите по уширению дифракционных максимумов // ФММ. 1998. Т. 85. Вып. 2. С. 145-152.

УДК 539.4.015

РОТАЦИОННЫЙ ХАРАКТЕР ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ В СТАЛИ С ГЕТЕРОФАЗНОЙ СТРУКТУРОЙ

© В.А. Батаев, А.А. Батаев, Л.И. Тушинский, С.А. Которов, Д.А. Суханов

Россия, Новосибирск, Государственный технический университет

Bataev V.A., Bataev A.A., Tushinsky L.I., Kotorov S.A., Sukhanov D.A. Rotation character of plastic flow in steel with hetero-phase structure. In requirements of a sliding friction without lubrication in the examined plants, the stratified structure ferrite-cementite with a cementite of the globular shape is shaped. In surface layers of the examined fragments, the structure of the curl form shape is detected. The diameter of separate curls makes ~ 5...50 pm. On the boundary of conjugation of the curl form and banded selections of a cementite there is violation unbroken of the material. The result of the sequential joint of micro-cracks is a fracture of the surface layer of the metal material.

В развитии структурных преобразований, происходящих в деформируемых металлических материалах, важную роль играют процессы ротационной пластической деформации. В последние годы изучению этих процессов уделяется повышенное внимание. Для характеристики обсуждаемых явлений иногда используются термины «вихревое поле напряжений», «вихревое течение», «турбулентный характер деформации» и другие термины и аналогии из области гидродинамики [1-4]. По данным В.Е. Панина с соавторами, явление поворота характерно для различных стадий процесса нагружения деформируемых материалов [1]. Однако наиболее ярко поворот материала проявляется при пластической деформации с высокими степенями.

В работе исследовали процессы структурных преобразований, происходящих в поверхностных слоях стали, подвергнутой интенсивной пластической деформации в процессе сухого трения скольжения. В качестве объектов исследования использовали стальные фрагменты, выдавленные тормозной чугунной колодкой с поверхности колеса железнодорожного вагона. Условия скольжения пары стальное колесо - чугунная колодка были близки к схватыванию. В процессе трения о чугунную колодку температура поверхностного слоя колеса возрастает, прочностные свойства стали снижаются, пластичность увеличивается. В результате воздействия силы трения пластифицированный слой сдвигается и выдавливается тормозной колодкой с поверхности колеса. Масса выдавленных фрагментов достигает нескольких сот граммов.

Таким образом, формированию фрагментов способствуют высокие температуры (по нашим данным, до ~ 600...800° С) и высокие степени пластической

деформации. В результате такого термопластического воздействия происходит полная перестройка структуры стали. Структура пластинчатого перлита меняется на глобулярный перлит. Особенностью вновь образующейся феррито-цементитной структуры является то, что в глубинных слоях анализируемых объектов це-ментитные частицы выделяются вдоль параллельных плоскостей. Поэтому на металлографических шлифах цементитные выделения выглядят в виде множества четких прямолинейных строчек. На фоне светлой фер-ритной матрицы эти строчки хорошо различимы (рис. 1 а). Наблюдаемые структуры напоминают картины ламинарного (слоистого) течения жидкостей, в которые для визуализации отдельных струй добавляют специальные красители. Причина образования слоистой структуры в анализируемой стали связана, вероятно, с тем, что цементит выделяется преимущественно в зонах наиболее активной пластической деформации. При выдавливании материала с поверхности колеса сдвиг происходит вдоль многочисленных плоскостей скольжения. На этих плоскостях и выделяется глобулярный цементит. Таким образом, цементитные частицы декорируют плоскости скольжения в деформируемой стали и с точки зрения визуализации линий течения пластического течения выполняют функцию красителя при наблюдении ламинарного течения в жидкостях.

Механизм образования ориентированных выделений цементита в пластически деформированных углеродистых сталях достаточно подробно обоснован в работах И.Н. Кидина, В.И. Лизунова, В.М. Белявской, посвященных получению естественных композиционных материалов [5]. Вероятно, что этот механизм может быть привлечен и для объяснения структуры, формирующейся в условиях высокоинтенсивного трения

б)

Рис. 1. Цементитные построения в структуре стальных фрагментов, выдавленных с поверхности железнодорожного колеса. а - сопряжение строчечных и вихреобразных це-ментитных построений, х250, б - вихреобразные цементитные построения, х1000

\скольжения. Наиболее характерной особенностью наблюдаемой нами феррито-цементитной структуры является наличие в карбидных скоплениях цементита только глобулярной формы.

Наблюдаемая в отдельных микрообъемах стали слоистая ориентированная феррито-цементитная

структура относительно однородна. Минимальное значение расстояния между слоями карбидных скоплений, определенное металлографически, составляет ~ 3.. .5 мкм. Однако говорить о существовании определенного для исследуемого фрагмента периода в расположении це-ментитных слоев (строчек) нельзя.

Характер распределения цементитных частиц свидетельствует о неоднородной пластической деформации в объеме исследуемых фрагментов. Отличительной особенностью строения поверхностных слоев исследуемого материала является вихревая форма цепочек цементит-ных выделений, наблюдаемых на рис. 1б. Объяснение этого факта может быть связано с тем, что зоны наиболее активного пластического течения в поверхностных слоях материала имеют форму тел вращения. Такой характер пластического течения связан с наличием крутящих моментов в анализируемых объемах материала.

При проведении структурных исследований установлено, что в процессе трения скольжения возможно образование как замкнутых вихреобразных построе-

ний, имеющих на шлифах форму концентрических окружностей, так и незамкнутых фрагментов вихрей. Диаметр отдельных окружностей составляет ~ 5.50 мкм. Вихреобразные феррито-цементитные построения, наблюдаемые в поверхностных слоях исследуемого материала, внешне напоминают поперечное сечение слоя карандашей, катящихся по поверхности стола. Металлографически признаки ротационной пластичности наблюдаются в поверхностных слоях металла толщиной ~ 50.100 мкм. Формирование вихреобразных построений связано с проявлением коллективных эффектов в структуре деформированного материала на микро- и мезомасштабном уровнях, т. е. является результатом процесса самоорганизации тонкодисперсной феррито-цементитной структуры, обусловленного особенностями развития пластического течения в поверхностных слоях стали. Возможность образования вихреобразных построений в поверхностных слоях деформируемого материала может быть обусловлена особыми условиями, в которых находятся эти слои. Речь идет, в первую очередь, о высоких температурах и локальных напряжениях, развивающихся в зоне контакта.

В процессе структурных исследований установлено, что образование вихреподобных построений характерно для аномальных условий нагружения, отличающихся высокими скоростями, степенями и температурой деформирования. При трении скольжения такие условия могут быть реализованы лишь в тонких поверхностных слоях деформируемого материала. В более глубоких слоях явных следов вихреобразной структуры в исследованном материале не наблюдалось.

Объяснение того факта, что механизм ротационной пластичности не наблюдался металлографически при исследовании многих металлических объектов, работавших в условиях трения скольжения, с нашей точки зрения, связано с относительно низкой температурой нагрева самих объектов, а следовательно, с малой толщиной поверхностного слоя, в котором активно проявляется механизм ротационной пластичности. То есть в большинстве реальных «холодных» металлических объектов толщина слоя, в котором возможен интенсивный поворот материала, слишком мала для наблюдения в металлографическом микроскопе.

Особенностью, характерной для вихря, распространяющегося в газовой среде, является непрерывность поля скоростей на границе вихря и окружающего его газа, благодаря чему трение на границе вихря относительно невелико [6]. Этим объясняется возможность распространения вихрей на большие расстояния. Можно предположить, что если бы вихревое течение в металлических материалах подчинялось тем же закономерностям, что и в жидких или газовых средах, то вихри могли существовать продолжительное время. Однако в отличие от жидкостей и газов показатели вязкости металла в поверхностных и глубинных слоях существенно отличаются, что обусловлено разницей в температуре этих объемов. Соответственно различаются и прочностные свойства металла в поверхностных и нижележащих слоях.

Из-за большой разницы в свойствах поверхностных и глубинных микрообъемов сплошность металлической среды постепенно теряется. Поэтому зоны сопряжения объемов с завихренной и слоистой структурой характеризуются наличием дефектов в виде пор и мик-

ротрещин (рис. 1а). По мере развития этих дефектов происходит постепенное разрушение поверхностного слоя. В результате отдельные участки поверхностного слоя отделяются, и в процесс изнашивания включаются новые, нижележащие слои. Таким образом, поворотные моды деформации могут играть очень важную роль в процессах изнашивания, соответствующих тяжелым условиям нагружения, близким к условиям схватывания контактирующих тел или непосредственно соответствующих этим условиям.

ВЫВОДЫ

1. Мелкодисперсная феррито-цементитная структура является удобным инструментом для визуального изучения процессов локализованного пластического течения в металлических материалах.

2. Наиболее вероятной причиной образования строчечных выделений глобулярного перлита в исследованной углеродистой стали является локализация пластического течения по ряду близко расположенных плоскостей и преимущественное выделение карбидов на этих плоскостях, отличающихся повышенным содержанием дефектов кристаллической решетки дислокационного происхождения.

3. Образование вихреподобной феррито-цементит-ной структуры является результатом самоорганизации процессов пластического течения, происходящих в условиях высокоинтенсивного сухого трения скольжения. Анализ наблюдаемых структурных преобразова-

ний позволяет считать процесс образования вихреподобных построений характерным для аномальных условий нагружения, связанных с высокими скоростями, степенями и температурой деформирования.

4. На границе сопряжения вихреобразных и строчечных выделений цементита происходит нарушение сплошности материала. Результатом последовательного объединения пор и микротрещин является разрушение поверхностного слоя металлического материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Т. 1 / В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, П.В. Макаров и др. Новосибирск: Наука, 1995. 298 с.

2. Атрошенко С.А., Васильков В.Б., Гладышев С.А., Мещеряков Ю.И., Чернышенко А.И. Исследование микромеханизмов откольного разрушения вязких высокопрочных сталей с разными режимами термообработки / Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела. Томск: Изд-во ТГУ, 1990. С. 225-233.

3. Атрошенко С.А., Баличева Т.В., Диваков А.К., Мещеряков Ю.И. Возбуждение ротационных механизмов разрушения во встречных волнах разгрузки // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. № 22. С. 8-11.

4. Гордополов Ю.А., Дремин А.И., Михайлов А.И. Теория волн на

границе раздела металлов, сваренных взрывом // ФГВ. 1978. Т. 14.

№ 4. С. 77-78.

5. Лизунов В. И. Композиционные стали. М.: Металлургия, 1978. 151 с.

6. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их

математические модели. М.: Наука, 1977. 408 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Минобразования Российской Федерации.

УДК 539.3

ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ В МОНОКРИСТАЛЛАХ РУБИНА ПРИ НИЗКОЧАСТОТНОМ ВИБРАЦИОННОМ НАГРУЖЕНИИ

© М.Е. Босин*, И.Ф. Звягинцева*, В.Н. Звягинцев**, Ф.Ф. Лаврентьев**, В.Н. Никифоренко

Украина, Харьков, Политехнический университет *Институт монокристаллов НАН Украины **Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины

Bosin M.E., Zviagintseva I.F., Zviagintsev V.N., Lavrentev F.F., Nikiforenko V.N. Evolution of the structural state in ruby monocrystals at the low-frequency vibration load. The change of structural state in ruby monocrystals under mechanical vibration loading with frequency 10 h 40 Hz and amplitude A = 1,5-103 p have been investigated. Our study revealed that the vibration lead to the formation of twins, to increase of the prismatic dislocation density and to the generation of the cracs along the prismatic planes {0110}. The velocity of the twin boundaries was determined (V = 2-102 p/s) and both local internal shear stress and normal fracture stress were estimated.

Известно [1], что монокристаллы корунда, легированные окислами некоторых металлов, являются наиболее перспективным материалом для производства активных элементов твердотельных лазеров. Физико-механические свойства рубина являются структурно- и ориентационно-чувствительными [2]. В реальных условиях эксплуатации лазеры подвергаются различным внешним энергетическим воздействиям, в том числе и вибрациям. В настоящей работе приводятся результаты воздействия вибрационного нагружения на структурное состояние монокристаллов рубина.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучались монокристаллы рубина, выращенные методом Вернейля [3] из мелкодисперсного порошка (А1203 + 3 % Сг03). Образцы вырезались в виде прямоугольных стержней с размерами 90x10x4 мм3, которые огранялись плоскостями базиса - (0001), призмы {1010} и (1120) с продольной осью [1120]. Однако часть образцов не содержала макродефектов (двойников, границ блоков и полос скольжения), а другая часть имела отмеченные дефекты, которые