» » Разупрочнение, обусловленное измельчением зерна
27.01.2015

Влияние размера зерна на минимальную скорость ползучести ε монель-металла при достаточно высокой температуре испытаний и различных напряжениях показано на рис. 8. При уменьшении размера зерна в области крупного зерна величина ε' снижалась, затем при среднем размере зерна ε' либо становилась постоянной, либо, наоборот, возрастала при дальнейшем измельчении зерна. Эти данные подтверждают многочисленные экспериментальные результаты, указывающие на возможность упрочнения и разупрочнения сплавов в зависимости от величины их зерна. Другие исследования показали подобное или иное поведение при измельчении зерна, а в ряде работ указывается на существование области, в которой поведение материала будет промежуточным.
Разупрочнение, обусловленное измельчением зерна

Линейное снижение ε' при увеличении l-1/2 в области крупного зерна, показанное на рис. 8, хорошо согласуется с результатами, ожидаемыми на основе модели низкотемпературного зернограничного упрочнения. Таким образом, если ε' идентифицировать со скоростью деформации образца при испытаниях на растяжение, то напряжение, обеспечивающее постоянное значение ε', должно повышаться с увеличением l-1/2. Не которые данные, приведенные на рис. 8, согласуются с этой концепцией. Данные зависимости низкотемпературного напряжения течения железа и стали от скорости деформации также четко показывают ее справедливость. Соотношение, устанавливающее зависимость ε' от l1/2, определено из теории термически активируемого движения дислокаций, как
Разупрочнение, обусловленное измельчением зерна

где ε — «активационный объем»;
v — газовая постоянная;
T*0 — температура;
R — экспериментальный параметр. Некоторые из них зависят от напряжения и температуры. При постоянных напряжении и температуре имеем
Разупрочнение, обусловленное измельчением зерна

где v* — «активационный объем», определенный экспериментально при изменении скорости деформации в монокристаллах. Значение v* определяется как
Разупрочнение, обусловленное измельчением зерна

в котором тTh — термическая компонента приложенного напряжения сдвига. При малых значениях тTh значение v* велико и затем снижается при увеличении тTh до тех пор, пока при больших значениях тTh активационный объем v не становится приблизительно постоянной малой величины.
В поликристаллах тTh сохраняется как одна из компонент напряжения в значении σ0 при l-1/2=0. Если деформировать образцы с увеличенными значениями l-1/2 при постоянном приложенном напряжении, то величина тTh в каждом образце должна снижаться прямо пропорционально значению kl-1/2, которое применимо в данном случае. Наибольшему размеру зерна должно соответствовать наибольшее значение тTл, и постоянное значение (d ln ε'/d ln-1/2) можно получить при данном малом значении v*. Эта тенденция в поведении v*, отражающаяся в зависимости ε' от l-1/2, означает, что величина ε' должна снижаться с увеличением l-1/2 еще значительнее.
Сравнение этих теоретических положений с экспериментальными данными, приведенными на рис. 8, показывает неспособность данного подхода к анализу низкотемпературного зернограничного упрочнения при объяснении результатов для случая очень мелкого зерна. Однако зернограничное упрочнение вероятно в том случае, когда повышение напряжения происходит при заданной температуре. Эту тенденцию действительно подтверждают результаты, приведенные на рис. 8, свидетельствующие о том, что незначительное разупрочнение, обусловленное измельчением зерна, происходит при максимальном значении напряжения и, наоборот, максимальное разупрочнение наблюдается при минимальном значении приложенного напряжения.
При низких напряжениях или высоких температурах границы зерен обычно рассматривают как потенциально менее прочные участки по ряду причин. Разупрочнение может быть обусловлено в основном двумя процессами на границах зерен: 1) скольжением или сдвигом по границам зерен, усиливающимся с уменьшением размера зерна; 2) усилением диффузионных механизмов деформации на границах зерен. Границы зерен способствуют усилению диффузии и переносу массы по короткозамкнутым путям и являются источниками или стоками для точечных дефектов. Считается также, что определенные границы зерен существенно ослаблены вследствие того, что дислокации или трещины легко зарождаются на границах зерен, или из-за того, что сегрегации некоторых легирующих элементов на границах зерен способствуют порообразованию и межзеренному разрушению. Границы зерен могут также обусловливать разупрочнение материала благодаря их возможности служить центрами зародышеобразования новых зерен с низкой прочностью при сдвиге. Вследствие указанных многочисленных эффектов разупрочнения по границам зерен при высоких температурах в поликристаллах монокристаллы можно рассматривать как более удобную форму материала во многих инженерных применениях, чем поликристаллическую структуру.
До настоящего времени модели зернограничного разупрочнения менее развиты по сравнению с теоретическими исследованиями низкотемпературного зернограничного упрочнения. При изучении процессов деформации при достаточно высоких температурах экспериментальные проблемы значительно усложнены, по сравнению с низкотемпературной деформацией. Так, высокотемпературные измерения значительно труднее проводить и анализировать. Например, сложно установить сотношение между локальной деформацией сдвига по границам зерен и искажениями внутри объема зерна и измеряемой макроскопической деформацией, поскольку для этого необходимо, чтобы микроструктура в течение деформации либо сохранялась неизменной, либо при этом необходимо непрерывно регистрировать ее изменение. Совершенно различные процессы деформации могут одновременно происходить в материале. Предполагают, что когда деформация ползучести происходит в области средних значений температуры и скоростей деформации, хотя величина ε в ряде случаев даже снижалась с увеличением l-1/2 при постоянных значениях σ и Т, искривление этой зависимости противоположно по знаку тому, которое обычно принято в уравнении (20). В современных исследованиях предпринимают попытки оценить напряжение течения материала при высоких температурах с учетом одновременного действия механизмов зернограничного разупрочнения и упрочнения.
Сверхпластичное поведение материала является предельным примером разупрочнения, обусловленного измельчением зерна, в том отношении, что для этого состояния прочность материала снижается с уменьшением размера зерна даже при скоростях деформации выше тех, которые обычно используют при испытаниях на растяжение. Точные зависимости σ и ε от температуры, внутренних свойств материала (т. е. коэффициента упругости и когезивной энергии) и микроструктуры еще недостаточно полно определены для одного материала в широком диапазоне условий эксперимента, и не имеется указаний о возможности использования простого соотношения для различных материалов. При очень высоких температурах и низких скоростях деформации зависимость ε от l теоретически описана для вязкой ползучести поликристалла как
Разупрочнение, обусловленное измельчением зерна

где Ω — атомный объем;
D — коэффициент самодиффузии.
Большинство исследований сверхпластичного поведения материалов показало, что уравнение (21) частично можно использовать для описания зависимости скорости деформации при сверхпластичном поведении материала. В данном случае уравнение (21) было заменено аналогичным соотношением, в котором диффузия по границам зерен контролирует зависимость ε и l-3 для полученных значений ε.
В данной работе сделана попытка схематически изобразить зависимость скорости деформации от размера зерна, ожидаемую в поликристалле, испытанном в достаточно широком интервале температур и напряжений, чтобы выявить зернограничное упрочнение, а также зернограничное разупрочнение. Предполагаемый совместный результат показан на рис. 9. Нижние пересекающиеся кривые, обозначенные σ2≤σ1, Т, соответствуют результатам, которые показаны на рис. 8 для образцов, испытанных на ползучесть при относительно низком приложенном напряжении, средней температуре и размерах зерна, лежащих в обычном интервале. Средняя кривая, по-видимому, применима для промежуточного уровня напряжений и температур σ1 и Т1. Для этих условий зависимость ε от l-1/2 имеет меньший наклон при больших размерах зерна вследствие того, что в уравнении (20) величина v* уменьшается с увеличением σ.
Переход от упрочнения к разупрочнению границ зерен смещен к малым размерам зерен, вследствие того, что при больших значениях ε в области средних уровней напряжений вклад от разупрочнения границ зерен в общую скорость деформации поликристалла становится заметным при малых размерах зерен. При повышении температуры и среднем уровне напряжений (верхняя кривая, обозначенная на рис. 9 как σ1, Т2≥Т1) вклад низкотемпературного упрочнения в зависимость ε от размера зерна изменяется незначительно согласно результатам анализа соотношения термическая активация — скорость деформации. Зависимость скорости деформации от размера зерна, обусловленная разупрочнением границ зерен, заметно возрастает благодаря резко выраженной температурной зависимости коэффициента диффузии D. Таким образом, в области средних значений напряжений и высоких температур испытаний в материалах с мелким зерном можно наблюдать в определенных случаях сверхпластичное поведение.
Разупрочнение, обусловленное измельчением зерна

Для доказательства справедливости указанных на рис. 9 тенденций необходимо как накопление экспериментальных данных, так и теоретический их анализ. Очень важно установить, возможно ли при высоких температурах сверхпластичное поведение в материале, упрочняющемся при низкой температуре вследствие измельчения зерна. Таким образом, возникает вопрос, возможна ли для σ3≥σ1 при температуре T1 (рис. 9) кривая низкотемпературного упрочнения, обусловленного измельчением зерна, которая занимала бы промежуточное положение между верхними двумя кривыми, захватывая очень большой интервал или даже полностью пересекая шкалу размеров зерен, показанную на рисунке?