» » Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном
25.01.2015

В настоящее время имеются экспериментальные доказательства того, что сверхмелкозернистые металлы могут выявлять чрезвычайно высокие уровни прочности при криогенных температурах и очень низкие прочностные свойства при температурах, близких к температуре плавления.
При низких температурах с уменьшением размера зерна увеличиваются предел текучести, предел прочности, твердость и усталостная прочность. Теоретическая оценка низкотемпературной прочности показала, что некоторые континуальные анализы нельзя использовать при расчетах. Кроме того, при этом имеются большие различия в дискретных дислокационных моделях для процессов текучести и разрушения кристаллов. При высоких температурах уменьшение размера зерна обычно сказывается в разупрочнении границ зерен и, как следствие, вызывает повышение скорости пластической деформации при постоянно приложенном напряжении. Оценка теоретической прочности при высоких температурах весьма сомнительна по ряду причин, главным образом из-за трудности описания характеристик структуры границ зерен и анализа процессов деформации на границах зерен.
Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что прочность отожженных металлов, испытанных при достаточно низких температурах, когда переносом массы путем диффузии можно пренебречь, возрастает с измельчением зерна. Упрочнение, обусловленное непосредственно измельчением зерна, можно выявить при испытании механических свойств. Обычно средний диаметр зерна находится в интервале от 1 мм до 10 мкм; с уменьшением размера зерна в этом интервале предел текучести, напряжение течения при различных значениях деформации, предел прочности, твердость и усталостная прочность ряда металлов и сплавов возрастают. Измерения четко показали, что практически важной причиной, обусловливающей получение материалов с измельченным зерном, является улучшение их прочностных свойств.
Влияние размера зерна на прочностные свойства материалов при высоких температурах (т. е. когда диффузионные процессы играют важную роль в механизмах пластической деформации) будет прямо противоположно описанному. В этом случае материалы с мелким зерном будут менее прочными, чем с крупным. Для оценки зависимости прочности металлов от размера зерна в определенной температурной области были проведены некоторые измерения характеристик прочности. Ранние эксперименты по влиянию размера зерна на прочностные свойства при низких температурах позволили установить, что при определенных условиях (при достаточно высоких температурах) материал с более мелким зерном был менее прочным, чем с крупным зерном. В работе испытания на ползучесть проводили при постоянном напряжении на образцах с разным размером зерна, изменяющимся в широком интервале. Было показано, что минимальная скорость ползучести возрастает с уменьшением размера зерна в области мелкого зерна. Эти данные можно рассматривать как пример разупрочнения, обусловленного измельчением зерна. Относительно недавние результаты испытаний на растяжение металлов, выявляющих сверхпластичное поведение, также показали, что в образцах с более измельченным зерном для достижения постоянного значения напряжения требуются значительно большие скорости деформации.
Несомненно, существуют определенные практические ситуации, в которых следует стремиться только к измельчению зерна в материалах для того, чтобы они были менее прочными при использовании при высоких температурах. Однако во многих случаях будут рассмотрены такие преимущества мелкозернистых материалов, благодаря которым материал может легко деформироваться при высоких температурах с большими степенями деформации, а затем тот же материал благодаря мелкому зерну будет показывать высокую прочность при использовании его в низкотемпературных назначениях.
В настоящее время нет хорошо развитой теории, которая могла бы количественно оценить влияние размера зерна на низко- или высокотемпературную прочность. Наиболее совершенная теория, предложенная для прочностных свойств материала при низких температурах, связывает влияние размера зерна с концентрацией напряжения в индивидуальных полосах скольжения, активируемых сдвиговой компонентой приложенного напряжения. Эта теория базируется на представлении о том, что границы зерен в поликристалле действуют обычно как главные барьеры для распространения дислокационного скольжения и двойникования, т. е. для внутризеренных механизмов деформации; кроме того, полагают, что внутренняя концентрация напряжения, требующаяся для текучести и последующего пластического течения или разрушения, не зависит от размера зерна. Исходя из этих предпосылок, в любой модели, основывающейся на концентрационном характере напряжения в полосе скольжения, зависимость напряжения сдвига τ от протяженности полосы скольжения или среднего диаметра зерна l можно написать в виде:
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

где τ0 - напряжение сдвига, необходимое для того, чтобы вызвать скольжение в отсутствие сопротивления со стороны границ зерен;
ks — величина концентрации напряжения, генерируемой у вершины полосы скольжения.
Полагают, что наблюдение макроскопического пластического течения в объеме материала более полно отображает картину микроскопического течения. Таким образом, в процессе объемной деформации поликристалла напряжение течения должно быть достигнуто фактически внутри всех зерен материала и на достаточном количестве деформационных систем внутри каждого зерна для поддержания локальной непрерывности пластической деформации внутри зерен. Такое рассмотрение включает в себя расчет среднего ориентационного фактора m, который требуется для трансформации действующих систем скольжения внутри зерен в систему координат тензора объемной деформации. Исходя из этих рассмотрений, значение τ в уравнении (1) связано с внешним приложенным напряжением σ, согласно данным работ, соотношением
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

если предполагать, что каждое зерно поликристалла деформируется так же, как и объем материала. Значения m были найдены расчетом для определенных типов структур поликристаллов. Для структур с г.ц.к. решеткой m≈3,1, а с о.ц.к. решеткой m≈2,9. Весьма приближенное значение m≈6,5 было получено для металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой.
Для понимания даже в простейшем виде процесса пластического течения в поликристаллическом агрегате требуется учет двух главных положений. Для индивидуальных полос скольжения необходима концентрация внутренних напряжений сдвига, чтобы снять ограничение, обусловливаемое конечным объемом зерен, как это представлено уравнением (1), и эти напряжения сдвига должны быть связаны с приложенным напряжением при условии сохранения непрерывности деформации внутри материала, которое отражено в уравнении (2). Комбинация уравнений (1) и (2) дает зависимость напряжение — размер зерна:
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

Для текучести величина τ0 должна быть взята как приведенное напряжение сдвига для пластического течения в монокристалле, подвергнутом деформации по многим системам скольжения. Обычно это напряжение несколько выше критического приведенного напряжения сдвига для начала пластического течения только в одной деформационной системе монокристалла. Сравнение уравнения (3) с различными экспериментальными данными, устанавливающими зависимость предела текучести в г.ц.к. и о.ц.к. металлах, а также в металлах с гексагональной плотноупакованной решеткой, подтверждает справедливость специфичных аспектов теории для этого соотношения. Полученное экстраполяцией значение напряжения течения поликристалла для гипотетического бесконечного размера зерна (l-1/2=0) обычно обозначается как σ0. Значение σ0 согласуется с экспериментальными величинами критического приведенного напряжения сдвига в монокристаллах магния, алюминия, α-железа и патронной латуни.
Зависимость предела текучести поликристалла от размера зерна отображается коэффициентом наклона ky, который определяется теоретически, согласно уравнению (3), как
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

Следовательно, ky будет велико, если достижимы исключительно высокие значения т и (или) ks. Для сталей и некоторых о. ц. к. металлов экспериментально показано, что большие значения k, обусловлены главным образом упрочняющим эффектом сегрегаций примесей внедрения на границах зерен. Без этого основного эффекта, связанного с сегрегацией примесей внедрения, значение ks в о. ц. к. металлах не должно значительно отличаться от значений ks в чистых г.ц.к. металлах, так как расчетные значения m в них отличаются незначительно. Это теоретическое соображение было подтверждено низкими величинами экспериментально измеренного значения ky в обезуглероженном железе.
С другой стороны, можно полагать, что некоторые растворенные атомы, сегрегируясь на границах зерен в г.ц.к. сплавах, будут обусловливать высокие значения ky в структурах такого типа. Этим, вероятно, объясняются высокие экспериментальные значения ky в патронной латуни. Металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой должны иметь значительно более высокие значения ky вследствие того, что высокие значения m и ks в них теоретически обоснованы. Большие значения m в этих металлах разумно ожидать вследствие небольшого числа систем легкого скольжения. Высокие значения ks можно частично обосновать тем, что в областях границ зерен необходимы достаточно высокие значения критического приведенного напряжения сдвига, чтобы скольжение происходило в затрудненных для деформации плоскостях и обеспечивало бы непрерывность пластической деформации. Вследствие этого значения ky в чистых металлах с гексагональной плотноупакованной решеткой будут выше, чем в чистых о.ц.к. металлах. Температурная зависимость ky в поликристаллическом магнии согласуется с независимыми измерениями критического приведенного напряжения сдвига, требующегося для призматического скольжения в системе {1010} [1120], которое, согласно предварительному металлографическому исследованию, должно играть важную роль в аккомодации пластического течения между зернами.
Другие более косвенные измерения подтверждают определенные аспекты теории, на которой базируется уравнение (3). Зависимость поведения стали при деформационном старении от размера зерна согласуется с моделью диффузии атомов углерода к границам зерен поликристалла. Высокая микротвердость на границах зерен в стали, молибдене, ниобии и никеле является экспериментальным подтверждением наличия сегрегаций растворенных атомов. Считают, что в ниобии возможна предпочтительная сегрегация растворенных атомов на границах субзерен, что делает их главными препятствиями для полос скольжения даже в поликристаллическом материале. Результаты измерений высокой микротвердости границ субзерен в ниобиевых монокристаллах подтверждают это предположение.
Напряжения хрупкогои пластичного разрушения в о.ц.к., г.ц.к. и г.п.у. металлах также зависят от обратной величины корня квадратного из размера зерна согласно уравнению:
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

где kF, σ0F —экспериментальные константы.
Значение kF для процесса разрушения было точно оценено из дислокационной теории для модели зарождения нестабильной трещины:
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

где G — модуль сдвига;
γ — поверхностная энергия материала;
v — коэффициент Пуассона.
Приблизительно такой же результат был получен при более точных расчетах. Согласно дислокационной теории, kF должно быть больше ky, так как для зарождения нестабильной трещины требуется более высокая концентрация внутренних напряжений, чем для зарождения пластического течения. Это положение было четко подтверждено в ряде случаев и вследствие этого температура перехода из вязкого состояния в хрупкое в отожженных о.ц.к. и г.п.у. металлах должна снижаться при измельчении зерна. Обычно считают, хотя возможны и исключения, что деформационное упрочнение материала слабо зависит от размера зерна и различие между ky и kF отражается в увеличении пластичности с измельчением зерна. Потенциальная возможность повышения прочности и пластичности при измельчении зерна в материалах делает перспективным получение мелкозернистых материалов.
В работе было проведено детальное исследование с целью теоретической оценки точных параметров в уравнениях (3)—(6). Основное внимание при этом было уделено точной оценке значений k в различных дислокационных моделях. Из уравнений (3) и (5) следует, что даже малые изменения в любом из расчетных значений k сильно влияют на значение σ, если такая оценка сделана для мелкого зерна. При очень малом размере зерна влияние концентрации напряжений от каждой дислокации в индивидуальной полосе скольжения становится важным и количественно. Эффективное напряжение сдвига τe, требующееся для достижения концентрации напряжения сдвига τ* у вершины полосы скольжения, зависит от числа дислокаций n в полосе скольжения. Для случая неограниченной длины прямых дислокаций одного знака, лежащих в плоской полосе скольжения:
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

Для обычного интервала размеров зерна и напряжений течения величина n изменяется от 100 до 1000. Относительное изменение напряжения при добавлении каждой дислокации к полосе скольжения можно получить из уравнения (7) в виде:
Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном

изменение τе происходит при каждом дискретном значении n. Предсказание таких значительных изменений напряжения увеличивает возможность выявления дискретной природы индивидуальных дислокаций при проведении измерений прочности в материалах с очень мелким зерном. С этой целью полезно проведение испытаний на растяжение хрупких металлов с мелким зерном на микродеформационных машинах.
Предшествующий анализ показал, что с теоретической точки зрения очень важно исследовать низкотемпературные прочностные свойства материалов со сверхмелким зерном:
1) для определения, является ли действительно справедливой зависимость от l-1/2;
2) чтобы дифференцировать различные дислокационные модели, предложенные для объяснения значений k, измеренных при обычных размерах зерна;
3) чтобы иметь возможность различить влияние индивидуальных дислокаций на верхний предел прочностных свойств, которые теоретически обоснованы для материалов со сверхмелким зерном.