» » Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях
11.01.2015

Обширные исследования воздействия жидких металлов на монокристаллы различных металлов в условиях растяжения с постоянной скоростью проведены под руководством академика П. А. Ребиндера и докторов физ.-мат. наук В. И. Лихтмана и Е. Д. Щукина в Институте физической химии АН России и на кафедре коллоидной химии МГУ. Монокристаллы выращивались по методу зонной кристаллизации. Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах диаметром от 0,5 до 1 мм. Легкоплавкий металл наносили на поверхность образцов химическим, электролитическим или механическим способом. Было показано, что эффект действия жидкого металла не зависит от способа его нанесения. Толщина покрытия обычно составляла несколько микрон. Выявленные этими исследованиями эффекты влияния жидких металлов определяются адсорбционным фактором.
Коррозионное влияние жидкометаллического покрытия было исключено, так как толщина его была мала, в нем растворялось весьма небольшое количество испытуемого твердого металла и соответственно изменение размеров образца было ничтожным. Для проверки справедливости этого утверждения проводились контрольные опыты по растяжению монокристаллов цинка в ванне с жидким оловом, насыщенным цинком. Диаграммы растяжения, полученные в этом опыте и в опыте с оловянным покрытием на цинковом образце, оказались одинаковыми. Были также получены экспериментальные доказательства отсутствия влияния объемной диффузии на наблюдаемые эффекты. Например, на основании измерения электрического сопротивления монокристалла цинка, покрытого ртутью, произведена оценка коэффициента диффузии ртути в цинк. Оказалось, что при комнатной температуре он равен приблизительно 3*10в-11 см2/сек. В связи с тем, что влияние ртути на механические свойства цинка проявляется сразу же после ее нанесения на образец, т. е. буквально через несколько секунд, понятно, что эффект не мог быть вызван объемной диффузией.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

На рис. 72 представлены диаграммы растяжения образцов цинка, покрытых оловом. Видно, что поверхностная пленка влияет на механические свойства монокристалла, только когда она находится в жидком состоянии. При комнатной температуре диаграммы растяжения образца с покрытием и без него практически совпадают; лишь незначительно сказывается упрочнение покрытого образца, возможно, за счет тонкого «чехла» из олова. Испытание образцов при температурах, обеспечивающих расплавление олова, привело к значительному изменению их механических свойств. При этом наблюдаются два вида диаграмм растяжения. При температуре 250° С диаграммы «истинное напряжение — относительное удлинение» чистого образца и с жидкометаллическим покрытием совпадают вплоть до момента разрушения покрытого образца. Влияние жидкого металла в этом случае выразилось в уменьшении прочности твердого металла и особенно сильно и уменьшении пластичности. При температуре 350 и 400° С наблюдается другой вид диаграмм. В этом случае только начальный участок обеих диаграмм (область упругих деформаций) совпадает. Действие жидкого металла приводит не только к уменьшению предела прочности и относительного удлинения, но также к уменьшению предела текучести и коэффициента упрочнения. Подобные два вида диаграмм растяжения наблюдались также при испытании других монокристаллических образцов с поверхностными покрытиями из жидких металлов.
Во многих случаях происходит чрезвычайно сильное изменение механических свойств твердых металлов под действием жидкометаллической среды. Это изменение настолько велико, что металл с покрытием имеет качественно иные механические свойства, чем чистый металл. Высокопластичный исходный материал, способный удлиняться при растяжении на сотни процентов, в результате влияния жидкометаллического поверхностного слоя превращается в хрупкий. При этом, если исходный металл разрушается с ярко выраженной местной деформацией, с образованием шейки, металл с покрытием разрушается без местной деформации, отрывом по плоскости спайности.
Степень влияния жидких металлов на механические свойства металлических монокристаллов зависит от ориентации последних по отношению к растягивающей силе. На рис. 73 изображена зависимость истинных напряжений разрыва для монокристаллов цинка от угла между плоскостью базиса и осью образца χ1 в момент разрыва. На этом рисунке представлены результаты испытаний при комнатной температуре образцов с ртутным покрытием, а также образцов без покрытия, разорванных при температуре -196° С. Видно, что ориентационная зависимость прочности монокристаллов цинка к обоих случаях имеет одинаковый характер.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

Зависимость от ориентации деформируемых монокристаллов обнаруживают также значения нормальных и скалывающих напряжений при разрыве.
Такая зависимость для монокристаллов цинка, испытанных на растяжение с постоянной скоростью при температуре жидкого азота (-196° С) без покрытия и при температуре 20° С с ртутным покрытием, показана на рис. 74. Хрупкое разрушение, вызванное понижением температуры и действием жидкого металла, характеризуется качественно одинаковыми закономерностями. Е. Д. Щукиным и В. И. Лихтманом показано, что с увеличением угла между плоскостью базиca, по которой происходит разрушение, и осью образна увеличиваются значения нормальных напряжений и уменьшаются значения скалывающих. Такое изменение напряжений говорит о том, что разрушение монокристалла происходит вследствие пластического сдвига, приводящего к образованию зародыша разрушения. Если угол между плоскостью базиса и осью образца достаточно велик, т. е. при относительно больших нормальных напряжениях, хрупкий отрыв по плоскости скольжения, являющейся в данном случае также и плоскостью спайности, происходит на ранних стадиях развития зародыша разрушения. Если же указанный угол мал и, следовательно, малы нормальные напряжения, то разрушение происходит на более поздней стадии развития зародыша после большей пластической деформации. Об уменьшении способности монокристаллов цинка к пластическому деформированию при увеличении угла между плоскостью базиса и осью образца χ0 можно судить по значениям предельного кристаллографического сдвига ас, приведенным в табл. 33.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

Данные табл. 33 показывают, что в условиях хрупкого разрушения величина предельного кристаллографического сдвига непрерывно уменьшается с ростом угла между плоскостью базиса и осью образца. Однако иные результаты наблюдаются при испытании на разрыв монокристаллов цинка без поверхностного покрытия при комнатной температуре, т. е. когда металл пластичен. В этом случае величина кристаллографического сдвига не падает с увеличением χ0, а наоборот, растет. Следовательно, ориентационная зависимость предельного кристаллографического сдвига в результате нанесения на поверхность монокристалла слоя жидкого металла качественно изменяется.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

Отмеченные выше закономерности влияния жидких металлов на механические свойства монокристаллов цинка характерны не только для этого металла. Опыты показали, что аналогично ведут себя монокристаллы кадмия, покрытые жидким оловом и галлием, а также монокристаллы олова, покрытые ртутью и галлием. Одинаковыми оказались закономерности и влияния различных поверхностно-активных жидких металлов (олова, ртути и галлия) на монокристаллы цинка.
Влиянию жидких металлов при растяжении с постоянной скоростью подвергаются не только монокристаллы, но и поликристаллы. Испытаниями поликристаллических образцов установлено, что действие жидких металлов и и этом случае приводит к падению прочности и пластичности материала. Так же, как и при испытании монокристаллов, наблюдаются два вида отклонений диаграммы растяжения поликристаллического металла с поверхностным покрытием от исходной диаграммы того же металла без покрытия. В одном случае диаграммы совпадают вплоть до разрыва образца с покрытием, которое происходит при меньшей величине предела прочности и относительного удлинения, чем образца без покрытия. Во втором случае, встречающемся значительно реже, вся диаграмма образца с покрытием, за исключением участка упругого растяжения, располагается ниже диаграммы чистого образца. Частным случаем диаграмм первого вида являются диаграммы, имеющие только упругий участок, т. е. такие, когда образец в жидком металле разрушается при напряжении, меньшем предела упругости.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

На рис. 75 приведены диаграммы растяжения стали 30ХГСА при температуре 500° С на воздухе и в жидких металлах: Bi, эвтектике Pb—Bi и сплаве Pb—Sn. Видно, что все жидкометаллические среды вызвали снижение истинного предела прочности, временного сопротивления разрыву, предела текучести, относительного удлинения и коэффициента упрочнения стали. Степень влияния различных сред неодинакова. Изменения диаграммы растяжения стали 30ХГСА относятся ко второму типу принятой выше классификации.
Разрушение сплава ЭИ437А при испытании на растяжение с постоянной скоростью в следующих жидких металлах: Sn, сплаве Pb — 40% Sn, Pb, Bi и эвтектическом сплаве Pb — Bi происходило в упругой области, т. е. диаграммы растяжения в этом случае тоже соответствовали второму типу. Следует отметить весьма существенное влияние жидкого металла на механические свойства сплава, обнаруженное в этих опытах. Так, например, в воздушной среде при температуре 700° С сплав ЭИ437А имел предел прочности 75 кг/мм2 и предел текучести 145 кг/мм2; контакт с эвтектикой Pb—Bi вызвал его разрушение при напряжении 25 кг/мм2.
Приведем еще несколько примеров, характеризующих воздействие жидких металлов на твердые в условиях испытания на растяжение с постоянной скоростью. Эти примеры также показывают, насколько широкий круг материалов подвергается воздействию жидких металлов.
Миллер обнаружил значительное снижение прочности и пластичности латуней 70/30 и 60/40 в результате контакта с жидкой ртутью, Оловом и оловянно-свинцовым припоем (50/50). При взаимодействии с ртутью при комнатной температуре продел прочности латуни снизился более чем в три раза. В жидком олове при температуре 260° С снижение предела прочности латуни 70/30 составило 18%, а латуни 60/40 — 28%. Примерно в такой же степени снизился предел прочности этих материалов и оловянно-свинцовом сплаве при 220° С. При температуре 350° С снижение предела прочности латуни 70/30 достигло в жидком свинце 40%, а в олове — 33%.
Еще в большей мере ухудшились пластические свойства материалов. Так, относительное удлинение латуни 70/30 и жидком олове при температуре 260° С равнялось 2,5%, тогда как на воздухе при той же температуре составляло Крайний значения относительного удлинения, полученные при испытании этого же материала в ртути и на воздухе, были равны 3 и 38,8% соответственно. В случае действия на латунь припоя соответствующие значения относительного удлинения — 2 и 28%.
Аустин исследовал различные стали и другие материалы на растяжение с постоянной скоростью деформации в контакте с оловянно-свинцовым (60/40) припоем. Им установлено значительное снижение прочности и пластичности в жидком металле перлитных сталей, а также нержавеющих ферритных и аустенитных. Разрушение некоторых материалов, например низколегированной никельхромванадиевой стали, при температуре 290° С происходило в упругой области. Чистые металлы: Fe, Ni и Сu - подверглись существенно меньшему влиянию среды. Диаграмма растяжения материалов в жидком металле обычно совпадала с диаграммой их растяжения на воздухе, но обрывалась при меньшем значении напряжения и относительного удлинения.
С. Т. Кишкин, В. В. Николенко и С. И. Ратнер провели испытания сталей 30ХГСА, 30ХГСНА, 18ХНВА и 40ХНМА на разрыв при высокой температуре в среде жидких припоев. Влияние припоев исследовалось двумя методами. При испытании по первому методу покрытый припоем образец помещали в печь и испытывали на растяжение при температуре, обеспечивающей расплавление припоя. При испытании по второму методу образец нагружали до определенного напряжения, после чего на его поверхность наносили припой. Если за время нанесения припоя (около трех минут) образец не разрушался, то производилось его дальнейшее нагружение до напряжения, превышающего начальное на 5 кг/мм2. При этом напряжении также наносился на поверхность образца припой, и т. д. Такие операции производились до тех пор, пока образец не разрушался. Результаты испытаний обоими методами оказались одинаковыми. Под действием оловянно-свинцового припоя (61% Sn, 39% Pb) разрушение сталей происходило при растягивающем напряжении 85—95 кг/мм2, что соответствовало для одних сталей упругой области, для других — пластической, однако прочность и пластичность и второй группы сталей были ниже, чем на воздухе. Изменение механических свойств сталей вызвал также свинцово-серебряный припой ПСР-3 (97,5% Pb; 2,5% Ag), но влияние его было несколько меньше, чем оловянносвинцового. В работе показано, что припои в твердом состоянии почти не влияют на прочностные и пластические свойства сталей.
Большое количество различных материалов испытали на разрыв растяжением в среде жидких металлов Я. М. Потак и И. М. Щеглаков. Они, как и другие исследователи, установили, что наиболее сильное действие жидкометаллические покрытия оказывают на пластические свойства металлов и сплавов: относительное удлинение и сужение у некоторых материалов понизились в десять раз и более, в то время как предел прочности уменьшился при этом в два раза. Однако не все материалы обнаруживают влияние поверхностных покрытий. Например, не изменились механические свойства меди в оловянно-свинцовом припое при температуре 270—280° С. Оказались нечувствительными к действию этого покрытия при температуре 270—280° алюминиевые сплавы марок АМЦ и АЛ9. Следует отметить, что высокоотпущенная сталь XГСА претерпела значительное влияние оловянно-глинцового покрытия при той же температуре. Таким образом, действие жидких металлов является избирательным. Один и тот же расплавленный металл оказывает влияниe на деформацию и разрушение одних твердых металлов и не влияет на другие.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

Многие исследователи отмечают усиление влияния жидких металлов на деформируемый твердый металл при повышении прочности последнего. Например, авторы работ наблюдали ярко выраженное ухудшение механических свойств стали 30ХГСА в контакте с оловянно-свинцовым припоем и оловом в том случае, если она имела исходный предел прочности около 170 кг/мм2, и отсутствие изменения (или незначительное изменение) свойств у стали пределом прочности 60/70 кг/мм2. Сталь 30ХГСА, имеющая на воздухе предел прочности около 120 кг/мм2, подвержена меньшему влиянию жидкого металла, чем та же сталь, но в состоянии высокой прочности. В табл. 35 приводятся соответствующие данные, полученные в работах.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

Нa рис. 76 представлена зависимость отношения пределов прочности алюминиевых сплавов в среде жидкой ртути и на воздухе σВ(ж.м.)/σВ(возд.) от величины исходного предела прочности σв (возд.), построенная по данным работы. Несмотря на заметный разброс точек на графике, видно, что с увеличением исходной прочности алюминиевых сплавов их чувствительность к действию жидкой ртути возрастает. Так, сплавы, имеющие предел прочности на воздухе 45/70 кг/мм2, в жидком металле сохраняют лишь 10—20% исходного значения предела прочности. Сплавы же, имеющие на воздухе предел прочности 20:35 кг/мм2, или не подвергаются вообще влиянию жидкометаллической среды, или обнаруживают небольшое (около 10%) снижение предела прочности.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

Следует указать, что зависимость эффекта влияния жидкого металла от уровня прочности твердого металла не всегда выявляется. Например, в работе показано, что хромоникелевые стали имеют приблизительно одинаковую прочность на воздухе и различную в среде расплавленного припоя. Такого рода наблюдения, а также вид зависимости на рис. 76 позволяют сделать вывод, что увеличение эффекта действия жидкого металла на деформируемый твердый металл с ростом его прочности имеет характер лишь тенденции. Иными словами, высокий уровень исходной прочности — это лишь один из многих факторов, способствующих усилению действия жидкого металла.
Исследование микроструктуры разрушенных в жидком металле образцов показало, что поликристаллические металлы обычно разрушаются по границам зерен. Такой характер разрушения наблюдается даже в тех случаях, если при испытании на воздухе трещины распространяются через зерно. Межкристаллитное разрушение установлено также у тех металлов, которые подвергаются сильному влиянию среды, будучи в моно-кристаллическом состоянии.
Исследование процесса появления и развития трещин в поликристаллических чистых металлах непосредственно во время их деформации проведено З.М. Занозиной и Е.Д. Щукиным. К металл-микроскопу была изготовлена специальная приставка, которая позволяла плавно деформировать растяжением плоские образцы. Процесс деформации наблюдался через микроскоп. Установлено, что трещины у образцов с жидкометаллическим покрытием появляются и растут по мере увеличения деформации преимущественно по границам зерен. Такой характер разрушения наблюдался у цинка и кадмия с галлиевым покрытием. Иногда трещины распространяются и по зерну, но их значительно меньше. Смешанный характер разрушения, но преимущественно межкристаллитный, имеет место у цинка, покрытого ртутью.
Е.Д. Щукин и З.М. Занозина первыми показали, что разрушение начинается но границам тех зерен, в которых раньше всего обнаруживаются линии скольжения.
Никольс и Ростокер определяли механические свойства различных крупнозернистых материалов при локальном нанесении жидкого металла на поверхность образцов.
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях

Результаты их работы, приведенные в табл. 36, показывают, что при нанесении жидкого металла только на зерна эффект или вообще отсутствует, или значительно слабее, чем при нанесении металла на границы зерен. Например, относительное удлинение кремнистого железа снизилось с 20 до 7% при нанесении лития на зерно и до 1,6% при нанесении лития на границу зерен. Латунь 70/30 не испытала изменения прочности и пластичности при нанесении ртути на зерно и обнаружила снижение предела прочности с 17,7 до 6,1 кг/мм2 и относительного удлинения с 42 до 8% при нанесении жидкого металла на границы зерен.
Из табл. 36 видно, что, хотя влияние жидкого металла при смачивании границ зерен больше, чем при смачивании тела зерна, однако оно менее сильное, чем при смачивании больших участков поверхности образца. Этот результат связан, очевидно, с большей вероятностью попадания в последнем случае в смоченную зону наиболее напряженной и наиболее неблагоприятно ориентированной границы зерен.
О весьма существенной зависимости воздействия жидкометаллической среды от ориентировки смоченной жидким металлом границы зерен свидетельствуют результаты опытов, проведенных на бикристаллах. Испытание медных бикристаллических образцов в контакте с висмутом на растяжение со скоростью 0,016 мин-1 показало, что максимальное воздействие жидкий металл оказывает, если граница зерен перпендикулярна направлению приложения силы. При уменьшении угла между ними от 90° до 0° эффект воздействия непрерывно уменьшается и прочность и пластичность бикристаллических образцов приближаются к прочности и пластичности монокристаллических (табл. 37).
Общие закономерности изменения механических свойств при кратковременных испытаниях