» » Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна
27.01.2015

Напряжение течения и напряжение вязкого разрушения для рекристаллизованного серебра технической чистоты были определены в интервале диаметров зерна примерно до 1 мкм включительно, как показано на рис. 1. На этом же рисунке показаны дополнительные экспериментальные точки, взятые из ранних измерений в обычном интервале размеров зерна. Измерение зависимости напряжение течения — размер зерна при 5 и 20% деформации (новые данные на рис. 1) позволило определить значение kв (наклон зависимости напряжения течения в функции l~1/2 при данной деформации ε), довольно близкое к значению исходного предела текучести. Эти измерения показали, что значение ky не зависит от точности определения предела текучести и что деформационное упрочнение влияет главным образом на величину σоε. Большее значение kF по сравнению с ky обусловлено заметным увеличением равномерного удлинения с измельчением зерна. Данные для предела прочности и предела текучести серебра, взятые из справочника, соответствуют приближенно средним уровням напряжения, близким к данным на рис. 1. Однако напряжение течения и разрушающее напряжение в материале со сверхмелким зерном в три раза выше этих значений и повышение характеристик прочности обусловлено измельчением зерна. Новые значения k для серебра не являются исключительно высокими, как и в других номинально чистых г. ц. к металлах, и значительно большего упрочнения в том же интервале размеров зерна можно ожидать в менее чистых г.ц.к., о.ц.к. металлах и металлах с гексагональной плотноупакованной решеткой.
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

Повышение твердости α-титана с уменьшением размера зерна в области сверхмелкого зерна показано на рис. 2. Величина твердости, измеренной алмазной пирамидой Н, удовлетворяет соотношению:
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

где H0 и kН — экспериментальные константы.
Данные, приведенные на рис. 2, относятся к более широкому интервалу размеров зерна по сравнению с ранними измерениями. Например, эти данные можно сравнить с дополнительными экспериментальными точками, которые показаны на рис. 2 для поликристаллического материала с размером зерна в обычном интервале. Для монокристалла измерение твердости показано при l~1/2=0. Из этих данных следует, что наблюдается корреляция между твердостью и зависимостью напряжение течения — размер зерна при определенном характеристическом значении деформации для напряжения течения. Таким образом, данные, приведенные на рис. 2, позволяют сделать вывод о том, что напряжение течения и предел прочности в α-титане можно значительно повысить путем измельчения, зерна. Этот вывод хорошо согласуется с недавними экспериментальными данными для α-титана с размером зерна в обычном диапазоне.
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

При сравнительно малых размерах зерна в низкоуглеродистой стали предел усталости зависит от размера зерна. Напряжение σFL, ниже которого усталостное разрушение не происходит, повышается при измельчении зерна. На рис. 3 показано, что экспериментальные точки для σFL удовлетворяют соотношению:
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

где экспериментальные константы σ0FL и kFL больше или меньше, чем σ0y и kv, соответственно, для того же материала. Величина kFL для серебра на 50% больше значения ky (см. рис. 1) и примерно равна значению в чистом железе, не имеющем резкого предела текучести. Для сравнения на рис. 3 показаны дополнительные экспериментальные кривые для армко-железа. Из этих кривых видно, что предел усталости меньше предела текучести только при малых размерах зерна. В промежуточном интервале размеров зерна предел усталости и предел текучести армко-железа примерно одинаковы. При больших размерах зерна, когда, возможно, только несколько зерен в образце подвергаются высоким напряжениям, напряжение усталости может быть выше предела текучести в поликристалле, так же как напряжения усталости в монокристалле выше критического приведенного напряжения сдвига.
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

Интервал значений предела текучести, достигнутый в железе и сталях с различной микроструктурой, показан на рис. 4. Здесь т, среднее значение прочности при сдвиге в кристаллах железа, содержащих углерод, и значение прочности при сдвиге в железных усах отнесены к значению теоретической прочности при сдвиге совершенного кристалла, полученному в самых последних расчетах. Эти данные представлены в функции обратной величины корня квадратного из отношения диаметра образцов t, деленного на величину вектора Бюргерса b (а/2) [111] дислокации. Полоса данных для отожженной углеродистой стали соответствует уровням прочности сдвига, определенным из отношения σy/m, где m=2,9. В этом случае расчеты прочности проведены при содержаниях углерода в стали до 0,2% (по массе).
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

Приведенные на рис. 4 результаты для перлитной проволоки, подвергнутой холодному волочению с большими обжатиями, были получены при допущении, что межпластинчатое расстояние в эвтектоиде является эффективным размером зерна, как было предложено авторами работы. Уровень прочности перлитной проволоки с минимальным размером зерна примерно в 70 раз выше, чем у монокристалла железа, содержащего углерод. Такое значительное упрочнение трудно объяснить каким-либо другим фактором, кроме измельчения зерна. Однако прочность перлитной проволоки на 60% ниже максимальной прочности, полученной на усах железа (см. рис. 4). Эти данные указывают на то, что исключительно высокие уровни прочности можно получить в нитевидных кристаллах (в усах). Экстраполяция кривой напряжение — размер зерна на рис. 4 показывает, что верхний предел теоретического значения предела текучести может быть достигнут, если размер зерна поликристалла будет уменьшен до межатомных расстояний.
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

Зависимости нижнего предела текучести, напряжения течения при различных значениях деформации и истинного напряжения пластичного разрушения от l~1/2 для обычного интервала размеров зерна показаны на рис. 5. Данные зависимости нижний предел текучести — размер зерна согласуются с данными, приведенными на рис. 4. Значения напряжения пластичного разрушения справедливы для трехосного напряженного состояния при появлении шейки. Эти значения разрушающего напряжения и соответствующие им значения k незначительно отличаются от данных, полученных для напряжения низкотемпературного хрупкого разрушения малоуглеродистой стали. Кривые изменения нижнего предела текучести и напряжения пластического разрушения на рис. 5 перенесены на поле рис. 6, на котором значения напряжения, размера зерна или диаметра трещины с показаны в большем масштабе. На этом рисунке даются значения предела текучести и напряжения разрушения при растяжении, деленные на модуль Юнга Е. Заштрихованная область между значениями предела текучести и напряжения разрушения дает полный интервал значений напряжений для данных, показанных на рис. 5. Кривые для текучести и разрушения экстраполированы как к очень большим размерам зерна, где напряжения достигают довольно постоянных значений σ0 (пересечение с осью ординат), так и к размерам сверхмелкого зерна, где заметное упрочнение обусловлено измельчением зерна.
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

Нижняя пунктирная кривая на рис. 6 относится к напряжению разрушения Гриффитса в малоуглеродистой стали, содержащей обычно замкнутую трещину, согласно отношению
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

где γ — поверхностная энергия материала.
В малоуглеродистой стали напряжение Гриффитса при измельчении зерна приближается к пределу прочности. Однако в малоуглеродистой стали происходит аномальное падение напряжения Гриффитса вследствие того, что для такого расчета данная модель не применима.
Для образования и распространения трещины в кристаллических материалах обычно требуется перемещение дислокаций. Высокие уровни напряжений необходимы, чтобы разрушение происходило при малых деформациях, так как для движения дислокаций, участвующих в процессе образования трещины, требуется компонента достаточно высокого напряжения; для коалесценции дислокаций в трещины необходимы большие внутренние концентрации напряжения. Заштрихованная область на рис. 6, простирающаяся от оси ординат к большим значениям (c/b)-1/2, включает в себя значительный интервал экспериментальных данных, определенных методом механики разрушения на малоуглеродистой стали, содержащей большие трещины. При таком методе оценки напряжение σF в материале, содержащем трещину, определяе.тся из соотношения
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

где kc обычно можно оценить экспериментально только в небольшом интервале размеров трещины.
Из данных, приведенных на рис. 6, следует, что экспериментальные значения σF в большинстве случаев превышают предел текучести малоуглеродистой стали без трещин. Вследствие этого значения напряжения разрушения, близкие к теоретическому пределу прочности в совершенных материалах, например равные Е/30, можно ожидать в материалах с размерами трещины порядка размера зерна. Это предположение не всегда подтверждается экспериментально или теоретически, и поэтому можно считать, что уравнение (12) практически не применимо для большого интервала размеров трещин в материалах.
Приведем для сравнения механические свойства малоуглеродистой стали с обычным размером зерна (d—100 мкм) и гипотетическим (d—0,1 мкм):
Свойства упрочненного состояния, обусловленного измельчением зерна

Механические свойства малоуглеродистой стали определены для образцов с размером зерна 100 мкм и экстраполированы к размеру зерна 0,1 мкм.
Пределы текучести, прочности и усталости в сверхмелкозернистом материале получены путем экстраполяции результатов, приведенных на рис. 3 и 5. Данные измерения твердости по Бринелю получены путем экстраполяции результатов недавних измерений, которые эквивалентны результатам определения твердости по Виккерсу. Из приведенных данных видно, что экстраполированные прочностные свойства сверхмелкозернистого материала значительно выше, чем у того же материала с обычным размером зерна. Эти прочностные свойства можно реализовать при условии, что в материале отсутствуют такие дефекты, которые превышают размер зерна.