CC BY
77
Влияние внутренней структуры и состояния поверхности на развитие деформации на мезоуровне малоуглеродистой стали
В.Е. Панин, А.И. Слосман, Н.А. Антипина, А.В. Литвиненко
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия Томский политехнический университет, Томск, 634004, Россия
Изучены закономерности локализации деформации на мезомасштабном уровне при растяжении и сжатии малоуглеродистой стали 12Х1МФ. Варьировались внутренняя структура и состояние поверхности. Показано, что при анализе прочности и пластичности твердых тел одним из определяющих факторов является объем материала, одновременно испытывающего пластическое
течение в нагруженном образце.
1. Введение
В соответствии с представлениями физической мезо-механики материалов пластическая деформация происходит взаимосогласованно на разных масштабных уровнях [1]. При этом один масштабный уровень может играть ведущую роль, тогда как процессы на других уровнях имеют аккомодационный характер. Для реализации процесса пластической деформации на каком-либо масштабном уровне необходимо наличие соответствующих концентраторов напряжений и возможность локализации деформации на данном уровне.
В литературе известен ряд работ, посвященных природе возникновения мезоконцентраторов напряжений и связанных с ними мезополос локализованной деформации в нагруженном твердом теле [2-8 и др.]. В настоящее время установлено, что в структурно-неоднородной среде мезоконцентраторы напряжений возникают на поверхностях, границах раздела, в зонах стесненной деформации. Возникновению мезоконцентраторов напряжений способствует затрудненность деформации на микромасштабном уровне. Возможность распространения мезополос локализованной деформации определяется видом материала, параметрами его структуры, состоянием поверхности, условиями нагружения. Выяснение роли каждого из перечисленных факторов в пластичности и прочности твердых тел является одной из центральных задач физической мезомеханики материалов.
Эта задача является многопараметрической, что во многих случаях затрудняет однозначную интерпретацию поведения твердого тела под нагрузкой. В еще меньшей мере изучены вопросы взаимосвязи между мезоконцентраторами напряжений, условиями распространения генерируемых ими мезополос локализованной деформации и механическими свойствами материала. В настоящей работе исследовалось влияние внутренней структуры и состояния поверхности заданного материала на развитие его деформации на мезо-масштабном уровне и характер кривой “напряжение -деформация”.
2. Материал и методика исследований
В качестве материала исследований выбрана малоуглеродистая малолегированная сталь перлитного класса 12Х1МФ теплотехнического назначения. Из исследуемой стали изготавливали образцы для анализа микроструктуры, измерения микротвердости и испытаний на растяжение и сжатие. Размеры рабочей части образцов для испытаний на растяжение составляли 32x4x1.6 мм3, на сжатие — 14x7x7 мм3. Для изменения структуры и свойств стали и соответственно изменения характера распределения мезоконцентраторов напряжений образцы подвергали нагреву до температур 940 и 1 200 °С, получасовой выдержке и охлаждению в вакууме при отключенной водоохлаждаемой печи, что обеспечивало скорость охлаждения около 80 °С в ми-
© Панин В.Е., Слосман А.И., Антипина. Н.А., Литвиненко А.В., 2001
нуту (в интервале температур от 1 200 до 700 °С). С повышением температуры нагрева получающаяся после охлаждения микроструктура все более отличается от равновесной. В микроструктуре увеличивается доля перлитообразной составляющей, меняется ее морфология, растет микротвердость отдельных составляющих микроструктуры (от 180 до 210 МПа для феррита). Для образцов, нагревавшихся до 1 200 °С, характерна вид-манштеттова структура. Для микроструктуры образцов, особенно нагревавшихся до высокой температуры, характерно декорирование границ крупных зерен феррита мелкодисперсными частицами карбидной фазы. Все эти отличия в структуре способны влиять на распределение концентраторов напряжений на различных масштабных уровнях, а следовательно, и на механизмы пластической деформации и механические свойства.
Состояние поверхности изменяли ее упрочнением путем азотирования в азотсодержащей плазме тлеющего разряда при температуре 550 °С. Микротвердость азотированного слоя практически не зависит от предварительной термической обработки и составляет 10.5-
11.5 ГПа. Металлографически азотированный слой на исследованных образцах почти не выявляется, но он хорошо фиксируется по результатам измерения микротвердости.
Для изучения деформационного рельефа, образующегося на поверхности в процессе деформации, одну из граней образцов полировали. Испытания на растяжение производили на установке ИМАШ-2078, на сжатие — на испытательной машине Sсhenk Sinus-100.
3. Результаты исследований
Анализ распределения деформации по рельефу, образующемуся на полированной поверхности образцов при сжатии, показывает, что в образцах, нагревавшихся до 940 °С и имеющих мелкозернистую структуру, процесс пластической деформации зарождается на торцах
образца и развивается путем распространения мезо-полос локализованной деформации в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений (рис. 1, а). При этом значительная часть образца между мезополосами локализованной деформации из активной деформации практически исключена. В образцах, нагревавшихся до 1 200 °С и имеющих значительно более крупнозернистую структуру, полосы локализованной деформации данного масштабного уровня не развиваются. В этом случае практически с самого начала в процесс деформации на более низком мезомасштабном уровне вовлекается весь объем образца (рис. 1, б). Такая картина наблюдается как в неупрочненных, так и в поверхностно упрочненных образцах.
При испытаниях на растяжение характер деформации образцов с различной внутренней структурой существенно зависит от состояния поверхности образца. В образцах с неупрочненной поверхностью характер деформации при растяжении качественно подобен соответствующей картине при сжатии. В образцах с мелкозернистой структурой сильно выражена локализация деформации на мезоуровне. Однако в отличие от сжатия локализация деформации развивается путем распространения полосы Людерса-Чернова. В то же время, как и при сжатии, в одновременное пластическое течение вовлекается ограниченный объем образца.
При растяжении поверхностно упрочненных образцов на границе “упрочненный слой - подложка” возникают осциллирующие локальные напряжения. Релаксация пиковых значений этих напряжений в хрупком поверхностном слое происходит путем образования ква-зипериодической системы поверхностных микротрещин [2]. Релаксация напряжений в неупрочненном объеме образца происходит путем распространения полос локализованной деформации в направлениях максимальных касательных напряжений.
Это обусловливает развитие мезополос локализованной деформации как в мелкозернистом, так и в крупно-
Рис. 2. Деформационный рельеф на поверхности мелкозернистого (а) и крупнозернистого (б) образцов после испытаний на растяжение. х20
зернистом материале (рис. 2). Однако в крупнозернистых образцах при той же толщине упрочненного слоя таких полос образуется больше и деформация в них менее локализована (рис. 2, б). Таким образом, при растяжении поверхностно упрочненных образцов наличие квазипериодической системы мезоконцентраторов напряжений, усиленных поверхностными трещинами, способствует локализации деформации на мезоуровне в образцах с любой внутренней структурой. Но и в этом случае локализация в образцах с мелкозернистой структурой происходит в большей мере, чем в образцах с крупнозернистой структурой.
При испытаниях поверхностно упрочненных образцов на сжатие, когда поверхностные мезоконцентрато-ры напряжений не оказывают заметного влияния на процесс деформации, характер локализации деформации практически не зависит от состояния поверхности (наличия упрочненного слоя).
Различие в характере распределения деформации закономерно влияет на характер кривых течения. Во всех исследованных случаях усиление локализации пластического течения на мезоуровне обусловливает снижение
/ / ..—
— Неупрочненный
Поверхностно
упрочненный
0 4 8 12 е,%
сопротивления деформации материала. Так, кривые течения при испытаниях на сжатие крупнозернистых образцов, где деформация менее локализована, существенно выше, чем у образцов, нагревавшихся до 940 °С и имеющих более мелкозернистую структуру. Это относится как к поверхностно неупрочненным, так и к упрочненным образцам (рис. 3). В результате поверхностного упрочнения предел текучести образцов, обработанных по обоим режимам, возрастает на 20-30 %. Относительное расположение кривых ст-е для крупно- и мелкозернистых образцов при этом сохраняется.
Характер зависимости кривых ст-е от внутренней структуры и состояния поверхности при испытаниях на растяжение сложнее. Изменение структуры, связанное с повышением температуры термической обработки, повышает прочностные характеристики поверхностно неупрочненных образцов примерно вдвое (как и при сжатии). В то же время, в результате поверхностного упрочнения уровень деформирующих напряжений крупнозернистых образцов незначительно увеличивается, а мелкозернистых — практически не изменяется (рис. 4).
200
0
0 5 10 15 20 е,%
Рис. 3. Кривые сжатия мелкозернистых (1) и крупнозернистых (2) образцов
Рис. 4. Кривые растяжения мелкозернистого (1) и крупнозернистого (2) образцов
Пластичность неупрочненных мелкозернистых образцов при растяжении несколько выше, чем крупнозернистых. В результате поверхностного упрочнения пластичность уменьшается, особенно у мелкозернистых образцов. При испытаниях на сжатие образцы до разрушения не доводились, поэтому характеристики пластичности при этих испытаниях в работе не оценивали.
4. Обсуждение результатов
Полученные результаты свидетельствуют о важной роли типа концентраторов напряжений в сопротивлении деформации на мезоуровне. В соответствии с представлениями синергетики [7, 9] существует два типа мезо-концентраторов напряжений:
- первичные мезоконцентраторы, возникающие в месте приложения к образцу внешней нагрузки;
- квазиравномерно распределенные в объеме структурно-неоднородного материала мезоконцентраторы напряжений.
Первичные мезоконцентраторы напряжений генерируют волны переключения, распределенные мезокон-центраторы — волны заселения. При статических испытаниях (растяжение, сжатие), как правило, местами образования первичных концентраторов напряжений являются участки образцов около захватов испытательной машины (или на торцах образца при сжатии). Там всегда существуют зоны, где под влиянием захватов пластическая деформация затруднена. На границах этих зон, в силу несовместности их деформаций с деформациями соседних объемов образца, возникает квазипе-риодическая система концентраторов напряжений мезо-масштабного уровня [1].
Если в объеме образца нет распределенных мезокон-центраторов напряжений, то при приложении внешней нагрузки процесс деформирования развивается путем генерации первичными мезоконцентраторами мезопо-лос локализованной деформации, которые распространяются вдоль направлений максимальных касательных напряжений.
Растяжение формирует в деформируемом материале жесткое напряженное состояние, при котором максимальные касательные напряжения вдвое ниже нормальных. В таких условиях деформация обычно развивается путем фронтального распространения одной мезополо-сы локализованной деформации (полосы Людерса-Чер-нова). Объем материала, одновременно вовлекаемого в пластическое течение, при этом ограничен. Это проявляется в образовании на кривой ст-е площадки текучести при достаточно низких значениях деформирующих напряжений (рис. 4).
Сжатие создает в материале менее жесткое напряженное состояние, в котором соотношение максимальных касательных и нормальных напряжений получается обратным по сравнению с растяжением. По-видимому,
это обусловливает при сжатии возможность одновременного развития системы мезополос локализованной деформации в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений (рис. 1, а). При таком характере процесса деформированный объем образца постепенно увеличивается за счет распространения, расширения, ветвления, образования новых полос локализованной деформации. Но и в этом случае, как и при растяжении, в каждый момент времени вовлеченный в пластическое течение деформируемый объем ограничен. Это обусловливает и при сжатии относительно низкий уровень деформирующих напряжений мелкозернистого материала (рис. 3).
Картина распределения деформации, характер кривых ст-е и величина деформирующих напряжений существенно изменяются при наличии в объеме деформируемого материала распределенных мезоконцент-раторов напряжений. В исследованной стали такими распределенными мезоконцентраторами можно считать частицы карбидной фазы на границах зерен в крупнозернистом материале после высокотемпературной обработки. В этом случае вместо мезополос локализованной деформации (рис 1, а) наблюдается квазиоднородное распределение деформации более низкого мезомасш-табного уровня по типу волн заселения (рис. 1, б). Объем материала, одновременно вовлекаемого в пластическое течение, резко увеличивается. Соответственно сопротивление деформации такого материала возрастает (рис. 3, 4). Данный эффект возрастания деформирующего напряжения за счет наличия распределенных концентраторов напряжений проявляется даже при условии увеличения в поликристалле размера зерен.*
При испытаниях поверхностно упрочненных образцов к первичным мезоконцентраторам напряжений около захватов добавляются квазипериодические мезокон-центраторы напряжений, возникающие на границе раздела “поверхностно упрочненный слой - подложка” [2, 3]. Релаксация пиковых значений этих напряжений в хрупком поверхностном слое происходит путем образования квазипериодической системы поверхностных микротрещин. Эти микротрещины усиливают роль участков пиковых значений контактных напряжений как концентраторов напряжений мезоуровня [2]. Релаксация напряжений в неупрочненном объеме образца при этом происходит путем распространения полос локализованной деформации в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений (рис. 2).
Эффективность поверхностных мезоконцентрато-ров напряжений определяется, в первую очередь, толщиной и свойствами упрочненного слоя. Кроме того, степень влияния этих мезоконцентраторов зависит от
* Это не противоречит известному уравнению Холла-Петча, которое справедливо для материалов с различной величиной зерна при прочих равных условиях.
вида напряженного состояния. Так, при сжатии их роль несущественна. Поэтому влияние поверхностного упрочнения образцов при испытаниях на сжатие, в основном, заключается в том, что, затрудняя процессы пластической деформации на поверхности и образование на ней деформационного рельефа, оно затрудняет пластическую деформацию в объеме образца. Поэтому поверхностное упрочнение повышает сопротивление пластической деформации при сжатии (рис. 3). Характер деформационного рельефа и кривых течения при этом практически не меняется. Это относится и к мелкозернистым, и к крупнозернистым образцам.
При растяжении поверхностно упрочненных образцов поверхностные мезоконцентраторы значительно меняют поведение образцов по сравнению с поверхностно неупрочненными образцами. В работе [3] подробно рассмотрена зависимость характера процесса пластической деформации от толщины упрочненного слоя. При достижении определенного соотношения толщины упрочненного слоя и образца в целом пластическая деформация происходит путем распространения вдоль оси образца одиночной волнообразной полосы локализованной деформации. Такая волна переключения, распространяясь в объеме образца, попеременно отражается от противоположных упрочненных граней. При меньшей толщине упрочненного слоя около каждой упрочненной поверхности образуются зоны, в которых в направлениях сопряженных максимальных касательных напряжений от поверхностных микротрещин распространяются мезополосы локализованной деформации. При определенном соотношении толщин упрочненного слоя и образца, а также при определенных параметрах структуры, эти зоны могут перекрываться, обусловливая фрагментацию на мезоуровне в объеме всего образца.
В исследуемом материале с мелкозернистой структурой процесс пластической деформации при растяжении происходит, как отмечалось выше, путем распространения волнообразной полосы локализованной деформации вдоль оси образца (рис. 2, а). При этом в течение всего процесса нагружения сохраняется значительная локализация деформации на мезоуровне. Как следствие, одновременно деформируется небольшой объем материала. Стадии распространения этой мезополосы на кривой течения соответствует горизонтальный пилообразный участок. Количество осцилляций на нем соответствует количеству перегибов на мезополосе и количеству последовательно образующихся микротрещин на упрочненных поверхностях. В этом случае можно говорить о распространении вдоль оси образца волны переключения. В работе [10] путем анализа полей векторов смещений показано, что такой процесс сопровождается образованием вдоль оси образца гармоник пластической деформации меньшего масштабного уровня. При дальнейшем нагружении в одном из мест совпаде-
ния максимумов гармоник с разным периодом происходит наиболее сильная локализация деформации и образуется, по сути дела, макрополоса. Это обусловливает быстрое разрушение образца. В связи с этим при испытаниях на растяжение пластичность образцов в результате их поверхностного упрочнения резко уменьшается.
В случае крупнозернистой структуры эффективность поверхностных мезоконцентраторов недостаточна для формирования одиночной волнообразной полосы локализованной деформации и наблюдается одновременное распространение мезополос от многих поверхностных микротрещин на упрочненных гранях образца. Поскольку толщина упрочненного слоя в обоих случаях одинакова, разницу в процессе пластической деформации, очевидно, можно объяснить тем, что в крупнозернистых образцах мезополосы локализованной деформации распространяются в среде с распределенными мезоконцентраторами напряжений. Это приводит к диспергированию мезополос и их уширению в ходе деформации (рис. 2, б). Как следствие, происходит вовлечение в процесс деформации значительно большего объема материала. Другими словами, локализация пластической деформации в крупнозернистых образцах по сравнению с мелкозернистыми выражена значительно слабее. Таким образом, и в случае поверхностно упрочненных образцов крупнозернистый материал с распределенными в объеме мезоконцентраторами напряжений характеризуется более высоким сопротивлением деформации по сравнению с мелкозернистым материалом. Однако этот эффект при растяжении проявляется в меньшей мере, чем при сжатии, вследствие высокой эффективности поверхностных мезоконцентраторов при растяжении.
Характерно, что при испытаниях на растяжение поверхностно упрочненных образцов крупнозернистый материал имеет более высокую не только прочность, но и пластичность. Это означает, что более сильная локализация деформации на мезоуровне в поверхностно упрочненном мелкозернистом материале снижает характеристики как прочности, так и пластичности.
5. Заключение
При анализе пластичности и прочности твердых тел на мезомасштабном уровне существенную роль играет учет объема материала, одновременно вовлеченного в пластическое течение. Увеличению этого объема способствует наличие распределенных мезоконцентрато-ров напряжений, генерирующих волны заселения.
Работа выполнена при поддержке ФЦП “Интеграция” (Проект № А0063).
Литература
1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука,
1995. - Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
2. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ. -
1996. - Т. 82. - Вып. 2. - С. 129-136.
3. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. О механизмах фрагментации на мезоуровне при пластической деформации поверхностно упрочненной хромистой стали // ФММ. - 1997. - Т. 84. - Вып. 2. -С. 130-135.
4. Панин В.Е., Деревягина Л.С., Валиев Р.З. Механизм локализованной
деформации субмикрокристаллической меди при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 89-95.
5. Панин С.В., Дураков В.Г., Прибытков Г.А. Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали с высокопрочным деформируемым покрытием // Физ. мезомех. -1998.- Т. 1. - № 2. - С. 51-58.
6. Панин С.В., Коваль А.В., Трусова Г.В., ПочиваловЮ.И., Сизова О.В.
Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер раз-
вития пластической деформации на мезомасштабном уровне бори-рованных образцов конструкционных сталей // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - № 2. - С. 99-115.
7. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики
// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
8. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Эволюция деформированного состояния в зоне надреза при растяжении поликристаллов №Ті в мартенситном состоянии // Физ. мезомех. - 2000. -Т. 3. - № 5. - С. 83-90.
9. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. - М.: Наука, 1990. - 270 с.
10. Слосман А.И. Разработка технологии сопряжения структурных составляющих гетерогенных материалов на основе представлений физической мезомеханики / Дис. ... докт. техн. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2000. - 71 с.
