Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Влияние текстуры. Наиболее простой и вместе с тем наиболее радикальный способ воздействия на величину и даже знак коэффициента роста заключается в изменении характера и степени текстуры. Как было упомянуто ранее, наличие текстуры есть одно из необходимых условий формоизменения. При отсутствии текстуры, когда в образце нельзя выделить преимущественное в отношении физических свойств направление, макродеформация изделия как целого не должна иметь места. Это обстоятельство отлично подтверждается опытными данными. Эксперименты с ураном, цинком, кадмием, оловом и двухфазными сплавами показали огромное определяющее влияние преимущественной ориентировки кристаллов, а вследствие этого и характера предварительной пластической деформации и термической обработки.
Иногда незначительного на первый взгляд различия в истории образцов достаточно даже для смены знака эффекта. Так, по данным работы катаные оловянные прутки сокращаются в длине при теплосменах. Кованые прутки, наоборот, удлиняются, что хорошо видно из фиг. 37, на которой показано формоизменение цилиндров из олова, испытавших 86% обжатия при ковке. В обоих случаях (фиг. 37) — при двух- и двадцатиминутной выдержке — коэффициент роста положителен; на фиг. же 7, 16 и 28, относящихся к катаным образцам, этот коэффициент отрицателен.
Поскольку степень текстуры зависит от величины предварительной пластической деформации, последняя всегда оказывает решающее влияние. Ранее было показано, что кадмий растет в длину тем сильнее, чем интенсивнее он был «протянут» в процессе ковки. Например, в одном из опытов коэффициент роста, равный 0,18*10в-5 1/цикл для поковки, осаженной с ⌀ = 50 мм до ⌀ = 18 мм, увеличился до 0,61*10в-5 1/цикл, когда исходная заготовка (⌀ 50 мм) была прокована до диаметра в 4,5 мм.
Чизуик и Келман обнаружили сильное влияние степени предварительного обжатия во время прокатки на коэффициент роста урана. На фиг. 38 изображены полученные ими опытные данные для урана, прокатанного при 300° С. Варьирование степени обжатия с 3 до 74% вызвало увеличение коэффициента роста в 2,5—3 раза, хотя и не изменило качественной зависимости удлинения от числа нагревов и охлаждений (от 50 до 550° С).
При этом максимальное воздействие обнаружено в области небольших деформаций, когда текстура особенно чувствительна к степени прокатки. Сказанное подтверждается данными фиг. 39, на которой представлена зависимость коэффициента роста от величины обжатия урана при 300° С. Из фиг. 39 следует, что после 70—80% деформации практически наступает «насыщение» и коэффициент роста уже почти не изменяется. Как и в случае с ураном, было найдено, что цинк «растет» тем сильнее, чем большую осадку он получил во время ковки, причем при значительных относительных деформациях (больше 80%) коэффициент роста на осадку почти не реагирует. Из фиг. 40, следует, что увеличение обжатия цинка с 55 до 64% способствует изменению коэффициента роста с 0,75*10в-5 цикл-1 до 2,05*10в-5 цикл-1, в то время, как переход от 76 к 85% обжатия почти не сказывается на удлинении образцов. Конечно, такую простейшую картину, когда формоизменение есть плавная возрастающая функция деформации, не всегда возможно получить на опыте. Очень часто изменение степени деформирования приводит то к увеличению, то к уменьшению, а то и к смене знака коэффициента роста. У поликристаллов с одинаковой пространственной решеткой и близкими свойствами при этом наблюдается поразительное сходство кривых «коэффициент роста — величина обжатия». На фиг. 41 и 42 в качестве примера приведены соответствующие данные для кадмия и цинка. В обоих случаях небольшая деформация прокаткой способствовала уменьшению максимального размера образцов. Однако, дальнейшее деформирование неожиданно создало такую ориентировку кристаллитов, при которой цилиндры стали интенсивно «расти» в длину. Интересно, что даже характер дальнейшего изменения эффекта, когда коэффициент роста колеблется около некоторого значения, одинаков.
Все это наводит на мысль о роли микроскопических механизмов деформирования, создающих совершенно сходную текстуру в кадмии и цинке. He исключено, что как смена знака эффекта при средних обжатиях, так и (в особенности) наличие мелких экстремумов — при больших связаны с конкурирующим влиянием деформации двойникованием и скольжением.
В цитированных работах были приняты необходимые меры предосторожности с тем, чтобы образцы отличались один от другого только преимущественной ориентировкой кристаллитов, но были схожи во всех других отношениях. Перед пластической деформацией и циклическим термическим воздействием, во-первых, производился тщательный отжиг для снятия наклепа и стабилизации структуры и, во-вторых, сам режим отжига был таким и сочетался в необходимых случаях с такой дополнительной пластической обработкой, что величина и форма зерен выдерживались постоянными: для урана около 0,04 мм, цинка — 0,03 мм, кадмия — 0,05 мм и для олова примерно 0,25 мм. В силу сказаного различие в коэффициентах роста могло быть связано только с различием в текстуре материала. Как легко было видеть, влияние текстуры огромно. Варьирование преимущественной ориентировки кристаллитов обычно в состоянии почти полностью завуалировать другие эффекты, связанные со структурой образцов, например, величиной зерна. Поэтому и в тех исследованиях, где не было обеспечено постоянство размера зерна и микроструктуры, наблюдалось большое и в основных чертах сходное с описанным выше влияние предварительной пластической деформации.
Так на фиг. 43 представлена зависимость коэффициента роста от предварительной пластической деформации для двухфазного сплава кадмий — олово. (90 вес. % Cd + 10 вес. % Sn и 32,25 вес. % Cd + 67,75 вес.% Sn), а на фиг. 44 — для сплава кадмий — цинк (95 вес. % Cd + 5 вес. % Zn). И здесь предшествовавшая термоцикли-рованию пластическая деформация прокаткой определяла величину, а в одном из случаев даже знак эффекта формоизменения. В целом в двухфазных сплавах, как и в чистых металлах, коэффициент роста имеет тенденцию увеличиваться по крайней мере до некоторого максимального значения с переходом к образцам с ярко выраженной текстурой. (Интересно отметить, что эвтектический сплав 32,25 вес. % Cd + 67,75 вес. % Sn не растет при любой степени в ориентировке кристаллитов.)
Здесь хочется еще раз особо подчеркнуть, что поведение образцов определяется именно текстурой, а не степенью деформации как таковой. Поэтому один и тот же коэффициент роста может быть получен различными способами, лишь бы окончательная структура материала была сходна; с другой стороны, при одинаковом наклепе, одинаковой вытяжке, осадке, обжатии и т. п. нет никаких оснований ожидать, что и формоизменение будет одинаковым.
Иногда коэффициент роста исключительно бурно реагирует даже казалось бы на второстепенное различие в предыстории материала. Особенно характерен в этом отношении кадмий. Так, в работе было найдено, что цилиндры из кадмия, катанные реверсивно, имеют коэффициент роста в 21 раз меньший, нежели катаные в одну сторону. Замечено также, что при обжатиях прокаткой, меньших 76%, для кадмия характерен повышенный разброс экспериментальных точек из-за непостоянства текстуры по длине прутка. С другой стороны, цинк, формоизменение которого сходно с таковым для кадмия, совершенно не чувствителен к реверсированию при прокатке и характеризуется незначительным рассеянием опытных данных, независимо от средней степени текстуры (что, вероятно, связано с различием в механизмах двойникования).
Цеглер, Майфилд и Мюллер, изучавшие влияние предшествовавшей деформации и термообработки на формоизменение урана, обнаружили сильную зависимость коэффициента роста от температуры прокатки. На фиг. 45 показано, как рост за цикл связан с температурой прокатки для круглого (кривая 1) и овального (кривая 2) профиля при общей деформации прокатки в 75%. Эффект формоизменения достигает максимума где-то в районе температур около 400—500° С, после чего начинает уменьшаться, так что коэффициент роста почти вдвое меньше для прутков, катанных при 600° С, чем для таких же прутков, но катанных при 400°С. Авторы работы склонны объяснить это как различием в текстуре, так отчасти и разницей в величине зерна, которое постепенно укрупняется с переходом к более высоким температурам прокатки (рекристаллизация).
Все исследователи, работавшие с ураном, подчеркивают, что вредное коробление урановых образцов при теплосменах легко устраняется соответствующим отжигом в области существования β- или γ-фазы, т. е. при температурах выше 668° С. Механизм этого воздействия очевиден: двойной фазовый переход α→β→α (а иногда и более сложный α→β→γ→β→α силу его кристаллографических особенностей способствует почти полной ликвидации текстуры, а вследствие этого и эффекта формоизменения. Например, по данным, коэффициент роста урана, катанного на 89% обжатия при 300° С, снижается с 27*10в-5 1/цикл до 1,4*10в-5 1/цикл после отжига в течение 30 сек. при 700° С (термоциклирование между 100 и 550° С). Аналогично влияние β-отжига и для иных состояний материала. В то же время отжиг при температурах ниже 668° С, т. е. в районе устойчивости a-фазы, гораздо менее эффективен, так как слабо воздействует на текстуру основы и даже на величину зерна, хотя продолжительное выдерживание при повышенных температурах — выше температуры рекристаллизации — и может быть полезным, а подчас и единственно возможным и эффективным мероприятием.
Температура и продолжительность отжига, а также характер и степень предварительной пластической деформации, конечно, качественно характеризуют изменение текстуры (если обеспечено постоянство других параметров, например величины зерна), однако такой метод оценки преимущественной ориентировки мало удобен и очень часто не только не проясняет, а даже запутывает и без того сложные закономерности. Естественно поэтому стремление многих авторов использовать прямые методы измерений степени текстуры. К сожалению, на этом пути встречаются большие трудности. Дело в том, что наиболее полное представление о текстуре материала можно извлечь почти исключительно из данных рентгеноструктурного анализа. Однако, текстурограммы не годятся для простых количественных измерений, так как до сих пор не найден еще соответствующий удобный критерий степени текстуры. Неудивительно, что попытки воспользоваться для этой цели рентгеновскими методами пока еще не дали желаемых результатов. Чизуик и авторы работ нашли удобным в качестве полуколичественного критерия степени текстуры использовать относительное изменение коэффициента термического расширения Δα'/α0 вдоль заданного направления образца по сравнению со значением, характерным для материала, вообще лишенного преимущественной ориентировки (Δα'/α0=αi-α0/α0, где α0 — коэффициент термического расширения при отсутствии текстуры, а αi то же, но при ее наличии).
Насколько такой способ заслуживает внимания, видно из фиг. 46. Здесь изображена зависимость коэффициента роста катаного кадмия от степени текстуры, оцененной по изменению коэффициента теплового расширения вдоль оси цилиндра. Экспериментальные точки взяты из тех же источников, что и точки на фиг. 41.
Уже при беглом взгляде на фиг. 41 и 46 бросается в глаза качественное различие кривых. Если на фиг. 41 экспериментальные точки ложатся на сложную кривую с максимумами и минимумами, то на фиг. 46 они образуют очень плавную зависимость, и ни одна из точек от нее не отходит. Вероятно, при выбранном режиме прокатки деформация около 40% была достаточна, чтобы в кадмии развилась максимальная устойчивая преимущественная ориентировка, так что при последующих проходах через валки поочередная кон-курирующая деформация — то скольжением, то двойникованием — не приводила уже к заметному изменению текстуры.
По данным фиг. 41 невозможно было сделать вывод, почему при малых обжатиях образцы сокращаются, а при больших растут в длину: потому ли, что здесь работает другой механизм формоизменения, или из-за развития иных кристаллографических ориентировок зерен. Фиг. 46 дает более ясный ответ на этот вопрос: знак коэффициента роста однозначно определяется знаком текстуры, т. е. преимущественным расположением кристаллографических осей по отношению к характерному направлению образца (ось цилиндра). Наконец, кривая на фиг. 41 не экстраполировалась в начало координат, и поэтому трудно было утверждать, что при данных условиях опыта образцы, лишенные текстуры, не «растут». На фиг. 46 кривая проходит через начало координатной системы. Это уже дает прямое и достаточно убедительное доказательство того, что формоизменение возможно лишь при наличии текстуры. При ее отсутствии внутренняя деформация не приводит к направленному макроскопическому «росту» изделий.
Ранее мы подчеркивали поразительное сходство кривых для кадмия на фиг. 41 и цинка на фиг. 42. Если такое сходство не случайно, то оно должно иметь силу и в координатах «коэффициент роста — относительное изменение коэффициента термического расширения». На фиг. 47 показаны соответствующие опытные данных. Кривая 1 построена для тех же образцов, что и на фиг. 42. Как легко видеть, качественно она не отличается от зависимости, изображенной на фиг. 46. Следовательно, кристаллографические механизмы формоизменения цинка и кадмия, видимо, подобны.
Впрочем, некоторая чисто внешняя разница в поведении цинка и кадмия все же обнаруживается. Еще выше отмечалось, что кадмий в отличие от цинка иногда очень сильно реагирует на реверсивную прокатку и, кроме того, при малых и средних обжатиях характеризуется повышенным рассеянием экспериментальных точек. Однако оба эти обстоятельства не принципиальны, так как выпадают из поля зрения, как только в качестве меры степени текстуры используется тепловое расширение.
Необходимо подчеркнуть еще следующее. Изменение коэффициента термического расширения вдоль избранного направления, являясь более удобным средством оценки текстуры, нежели величина деформации, в то же время не может дать полного или хотя бы однозначного представления о развивающейся текстуре. Есть основания предполагать, что такой метод будет мало пригоден для сравнения текстур, полученных различными способами, например, ковкой и прокаткой, так как одно и то же значение теплового расширения в принципе может отвечать бесчисленному множеству конфигураций в расположении кристаллитов. В качестве примера на фиг. 47 построена кривая 2, относящаяся к кованым цинковым пруткам, о которых говорилось на фиг. 40. Хотя экспериментальные точки и здесь образуют плавную кривую, последняя тем не менее не совпадает с таковой для катаных образцов.
Как уже отмечалось Чизуик, изучавший формоизменение урана, пытался количественно оценить текстуру с помощью лучей рентгена, однако пришел к выводу, что это проще сделать, используя коэффициент термического расширения. Полученная им зависимость коэффициента роста от степени текстуры катаного урана удивительно похожа на кривые (фиг. 46 и 47) для кадмия и цинка. Эта зависимость изображена на фиг. 48, построенной по данным фиг. 12 из работы. (Имеет смысл сравнивать образцы с одинаковым размером зерна.) Качественное совпадение кривых «коэффициент роста — тепловое расширение» для моноклинного урана, с одной стороны, и гексагональных цинка и кадмия — с другой, Дает достаточно оснований, чтобы усмотреть глубокие аналогии в микроскопических деталях «роста» перечисленных металлов. He исключено, что общие черты здесь обнаруживаются в работе механизма термического храповика по Бурке и Туркало, согласно которым размерная нестабильность обусловлена попеременным скольжением внутри зерен и по их границам.
Описанные выше эксперименты показывают, что в целом формоизменение изделий тем ярче выражено, чем более совершенная текстура достигнута предшествовавшей пластической обработкой, т. е. чем больше макроанизотропия свойств тела как целого. Причина этого представляется почти очевидной, так как в квазиизотропном материале статистическая алгебраическая сумма всех микродеформаций по любому направлению должна быть равна нулю, а при наличии текстуры она тем больше, чем выше макроанизотропия.
Если в качестве степени преимущественной ориентировки принять безразмерный параметр ξ^, определив его так, чтобы он был равен нулю (ξ^=0) при отсутствии текстуры и единице (ξ^=l) при идеальной текстуре (т. е. для монокристалла), то в линейном приближении при малых ξ^ коэффициент роста должен быть по крайней мере ему пропорциональным
где γ'0 — некоторый коэффициент.
Уравнение (II. 35) правильно описывает общую тенденцию изменения коэффициента роста вблизи точки ξ^=0, однако приводит к принципиально ошибочным следствиям, касающимся поведения материала вблизи состояний с идеальной текстурой. В самом деле, для монокристалла по определению ξ^=1 и в соответствии с (II.35) коэффициент роста здесь должен был бы достигать своего максимального значения γ=γ'0=γmax. Ho из опыта хорошо известно, что монокристаллы не растут при теплосменах, так как в них отсутствуют микроструктурные напряжения термической анизотропии. Это было хорошо показано в работах на уране и в на кадмии. Монокристаллы урана и кадмия, как и следовало ожидать, не изменяли своей формы. В качестве примера в табл. 7 выписаны экспериментальные данные. Даже псевдомонокристалл урана оказался высокостабильным против вредного явления роста.
Изменение с текстурой напряжений без труда учитывается в линейном приближении. В самом деле, микроструктурные напряжения тепловой анизотропии пропорциональны средней по объему дисперсии коэффициента термического расширения Δα. Поскольку далее у монокристалла, т. е. при ξ^=1, в модельном представлении Δα=0, а у поликристалла, лишенного текстуры, т. е. при ξ^=0, Δα достигает максимума Δα=Δαmax, есть все основания записать
Наконец, из (II. 9), (II.35) и (II.36) следует окончательное равенство
где
Уравнение (II.37) гораздо лучше соответствует действительности, нежели (II.35), так как предсказывает отсутствие формоизменения как при идеальной текстуре (ξ^=1, монокристалл), так и при совершенно хаотической ориентировке кристаллитов (ξ^=0). Из (II. 37) также вытекает, что коэффициент роста максимален (γ=γ(0)max для средних степеней текстуры, когда ξ^=1/2.
Если текстура оценивается по относительному изменению коэффициента термического расширения Δα'/α0, то наибольшего формоизменения следует ожидать при
где (Δα'/α0)max(0) — относительная разница коэффициента теплового расширения вдоль оси образца, обладающего идеальной текстурой, по сравнению со средним коэффициентом теплового расширения α0.
Для гексагональных плотноупакованных структур текстуры прокатки таковы, что вдоль оси прутка с неплохим приближением можно принять
где αl и αII — коэффициенты теплового расширения монокристалла соответственно перпендикулярно и вдоль гексагональной оси.
Отсюда получается для кадмия (Δα'/α0)max=0,16 и для цинка (Δα'/α0)=0,3. Сравнивая эти значения с опытными данными на фиг. 46 и 47, можно видеть, что хотя в случае кадмия соответствие плохое и на фиг. 46 до максимума на кривой еще очень далеко, у цинка этот максимум уже достигнут. Он находится где-то между Δα'/α0=0,3 и Δα'/α0=0,5, т. е. близко к полученной выше оценке.
Здесь необходимо сделать несколько замечании о кажущемся несоответствии приведенных выше данных о влиянии текстуры с результатами прекрасных исследований Боаса и Хоникомба. Они в свое время подчеркивали, что внутренняя микродеформация таких металлов как цинк, кадмий, олово и др. при тепло-сменах тем слабее, чем сильнее текстура основы, и, несмотря на кропотливые наблюдения, не обнаружили изменения формы образца в целом. Однако, вскоре опыты с ураном дали совершенно противоположный результат: сильно текстурованные урановые стержни росли в длину и всегда больше, чем такие же образцы, но лишенные преимущественной ориентировки. Это дало некоторым исследователям повод для дискуссии о роли двухосной текстуры. Дело в том, что все металлы, использованные Боасом и Хоникомбом, обладали одноосной текстурой. Уран же — единственный из известных тогда материалов, способных к «росту» при теплосменах — имел двойную текстуру с направлением [010] вдоль и полюсом (131) перпендикулярно оси прокатки. По мнению Пью и Френкеля, это могло служить ключом для понимания того, почему «растет» уран (и «растет» тем сильнее, чем совершеннее текстура) и почему не был ранее обнаружен «рост» цинка, кадмия, олова, теллура и других металлов.
В самом деле, кристаллиты с ориентацией [010] имеют у урана отрицательный коэффициент термического расширения вдоль оси стержня, а кристаллиты, образующие компоненту текстуры с полюсами (131) — положительный. В силу сказанного образование такой двойной текстуры не только не сопровождается уменьшением средних действующих температурных напряжений, но даже способствует их увеличению. Кроме того, представляется вероятным, что в материалах с двухосной текстурой работает специфический механизм формоизменения, заключающийся во взаимодействии текстур. Такая концепция основана на следующем рассуждении.
В предельном случае, когда достигнута идеальная двойная текстура, весь объем образца состоит как бы из двух вставленных друг в друга скелетов зерен с ориентациями осей [010] вдоль, а плоскостей (131) перпендикулярно оси цилиндра. При нагреве или охлаждении каждая из этих групп кристаллитов расширяется по-разному, вследствие чего возникают значительные тепловые напряжения. Поскольку температурные коэффициенты времени релаксации таких напряжений для [010] и (131) ориентировок различны, то при циклических теплосменах будет наблюдаться необратимое тепловое формоизменение. Естественно, что оно должно быть тем больше, чем совершеннее двойная текстура — в полном согласии с опытными данными как для урана, так и для материалов, изучавшихся ранее Боасом и Хоникомбом.
Сейчас, когда многое известно о размерной нестабильности поликристаллов с одинарной текстурой, такое объяснение имеет ценность лишь в том отношении, что указывает на один из мыслимых детальных микроскопических механизмов роста. He исключено, что у урана он играет большую роль. Однако Бурке и Туркало успешно объяснили некоторые тонкости в поведении урана, основываясь на более общей концепции «термического храповика», предложенной ими еще в первом сообщении. В частности, обсуждалась и роль двуосной текстуры.
Поданным табл. 7, 5% сужения урана при 300°С, при котором лишь немного полюсов (010) располагается вдоль направления прокатки, дает больший коэффициент роста, чем 75% деформации при 600° С, когда кроме полюсов (010) появляется еще компонента [110], стремящаяся расположиться в том же направлении. При равном же сужении в 75% формоизменение у образцов со смешанной текстурой (010) + (110) в 2,25 раза меньше, чем с одинарной (010). По Бурке и Туркало, дело здесь в следующем.
Кристаллиты с (010) ориентацией имеют вдоль оси стержня отрицательный коэффициент термического расширения и кроме того являются «сильными», так как напряжения, действующие по направлению, не дают скалывающей компоненты в основной системе скольжения (010).
Пластические сдвиги в состоянии появиться лишь в «слабых» зернах, кристаллографическое направление которых расположено под некоторым углом к оси прокатки. Как нетрудно видеть, все «слабые» области будут обладать повышенным по сравнению с «сильными» коэффициентом термического расширения. Поэтому при теплосменах уран должен «расти» в длину — в полном соответствии с опытом (см. табл. 7).
С другой стороны, появление зерен с ориентациями (110) вдоль направления прокатки способствует сокращению длины. Действительно, кристаллографический полюс (110) может отклоняться либо к (100), либо к (120) ориентациям. Когда отклонение имеет место к (100), коэффициент термического расширения будет большим, а зерно окажется «сильным», так как сжимающее (при нагреве) напряжение ориентировано почти под углом 90° к плоскости скольжения. Когда же имеется тяготение к полюсу (120), коэффициент термического расширения станет малым, но зато зерно — «слабым», так как направление [100] и плоскость (010) главной системы скольжения (010) расположатся примерно под углом 45° к действующему напряжению. В обоих случаях реализуется ситуация, противоположная той, которая осуществлялась для текстуры типа (010). Следовательно наличие преимущественных ориентировок (110) вдоль оси прокатки должно привести к отрицательному коэффициенту роста.
В действительности при смешанной текстуре (010)+(110) результирующий эффект определяется конкуренцией между более сильной (010) и более слабой (110) и, как видно из последней строки табл. 7, не так велик.
Разумеется, описанная здесь картина справедлива лишь в самых общих чертах хотя бы потому, что не учитывает наличия множества других систем скольжения и двойникования, взаимодействия различных компонент текстур между собой и т. п. He учитывает она также и возможности смены механизмов формоизменения из-за появления новых сильных максимумов в спектре дисперсий энергии активации. Бурке и Туркало, в сущности, ограничиваются только действующими напряжениями, забывая, что не всякая их релаксация достаточна для направленного роста изделия как целого. Между тем, еще раньше на примере поведения цинка (см. данные табл. 4) было подчеркнуто, что варьирование текстуры иногда сопровождается сменой микроскопических механизмов формоизменения. Конечно, она не происходит неожиданно, и поэтому на кривых «коэффициент роста — степень преимущественной ориентировки» не всегда видны особенности. Однако это не значит, что ее не следует принимать во внимание.
Все предложенные до сих пор объяснения роли текстуры обходят также молчанием возможность появления текстурных тепловых напряжений и напряжений роста. В то же время не может быть сомнения, что оба указанных типа напряжений присутствовали и оказывали свое специфическое воздействие, если не во всех, то в большинстве описанных опытов. Вероятно, текстурные напряжения и сами по себе способны привести к формоизменению, так как области, в которых они взаимно уравновешиваются, отвечают различным степеням, а иногда и видам текстур, и поэтому имеют неодинаковую температурную зависимость критериев текучести или времен релаксации напряжений. Что же касается напряжений роста, то хотя они и появляются в процессе самого формоизменения (из-за градиента текстуры в образце), они тем не менее в состоянии существенно повлиять на установившееся значение коэффициента роста. Несколько слов о проявлении напряжений роста будет сказано ниже, в разделе, посвященном анализу влияния масштаба и формы образцов.
Примечательна поразительная устойчивость степени текстуры при теплосменах. Несмотря на огромное — иногда в сотни процентов — общее удлинение «роста», преимущественная ориентировка кристаллитов совершенно не изменяется. Во всяком случае ни рентгенографически, ни по тепловому расширению, ни по величине деформации за цикл не удавалось обнаружить каких-либо измеримых эффектов. Пожалуй только у урана некоторое снижение коэффициента роста при большом формоизменении, достигающем нескольких сот процентов, можно было бы объяснить размытием текстуры.
Сверхвысокая стабильность текстуры, видимо, связана с тем, что в стационарном режиме, когда в течение одного цикла упрочнение нейтрализуется разупрочнением, имеют место лишь тонкое скольжение и взаимное переползание зерен, которые, повторяясь от цикла к циклу, не вызывают больших структурных изменений, но каждый раз дают вполне заметное приращение размеров.
В заключение необходимо подчеркнуть, что текстура должна учитываться при исследовании не только необратимого теплового формоизменения, но и других изменений, вызванных повторными теплосменами: например, термической усталости, ползучести и т. п. В каждом из этих частных случаев влияние текстуры может быть специфическим, совершенно не похожим на другие и требующим своего объяснения.
В табл. 8 показано, как степень и характер текстуры сказываются на разрушении от термической усталости и падении кажущейся плотности технического цинка (99,97%) при циклическом термическом воздействии от 10 до 210° С.
Казалось бы незначительное на первый взгляд увеличение степени предварительной пластической деформации создало необходимые условия для гораздо лучшей сопротивляемости материала разрушению от термической усталости, так что плотность за 970 циклов изменилась лишь на 0,185% по сравнению с 0,34% в первом случае, а прочностные характеристики даже улучшились. Коэффициент же роста, как и следовало ожидать, увеличился (с-0,4*10в-5 1/цикл до 4,2*10в-5 1/цикл).
Влияние величины зерна. В многочисленных опытах с ураном, цинком, кадмием и оловом было показано, что любая операция, ставящая своей целью укрупнение зерна, приводит к значительному уменьшению эффекта необратимого теплового формоизменения, Хотя здесь выявляются и некоторые более тонкие детали, о которых мы скажем ниже, главным все-таки является именно снижение коэффициента роста. Таким путем иногда удавалось почти полностью избавиться от «коробления» образцов.
На фиг. 49, взятой из работ Чизуика и Келмана и Чизуика, показано, насколько коэффициент роста хорошо текстурованного урана чувствителен к величине зерна (см. также фиг. 9). При укрупнении последнего от 0,014 до 0,18 мм деформация за цикл в начале испытания снижается почти в 12 раз. Даже после 700 циклов, когда в крупнозернистых образцах развилась богатая субструктура, коэффициент роста оставался в 2,5 раза меньшим у материала с зерном 0,18 мм по сравнению с зерном 0,014 мм. Аналогичные результаты были получены Чизуиком в экспериментах со слаботекстурованным ураном, предварительно термически обработанным при высоких температурах в области существования β-фазы.
По данным работы, образец с зерном 0,13 мм за 700 циклов между 50 и 550° С удлиняется лишь на 1,8% вместо 11,5% при зерне 0,03 мм.
На фиг. 50 графически представлена зависимость аксиального роста цинковых цилиндров от величины зерна при нагревах и охлаждениях от 10 до 210° С. Легко видеть, что варьирование размера зерен всего лишь с 0,03 до 0,06 мм сопровождается почти пятикратным изменением коэффициента роста: с 7*10в-5 1/цикл до 1,5*10в-5 1/цикл.
Такое же сильное влияние размера зерна было обнаружено у кадмия и олова. Относящиеся к ним экспериментальные данные изображены на фиг. 51 и 52. Из фиг. 51 следует, что если при ΔT=155° С укрупнение зерна с 0,05 до 0,6 мм способствует снижению коэффициента роста кадмия с 1,43*10в-5 1/цикл до 0,55*10в-5 1/цикл, то при ΔТ=120°С аналогичная операция приводит к полному исчезновению эффекта. У образцов олова «рост» прекращается при величине зерна около 0,57 мм (ΔT=130° С).
Указанная общая тенденция связи коэффициента роста с величиной зерна почти никогда не нарушается. Она сохраняет силу в подавляющем большинстве случаев — при самом широком произволе в выборе как параметров, характеризующих термический цикл, так и степени преимущественной ориентировки или химического состава.
Лишь в одном случае нам почему-то не удалось заметить снижения эффекта у цинка, несмотря на некоторый рост зерна, имевший место после 80-часового отжига при 300° С. Однако это случается редко и, как правило, только при некотором оптимальном выборе состояния материала и характера циклического термического воздействия. Обычные предосторожности при выращивании зерна почти никогда не нарушают отмеченную общую закономерность.
В работах было найдено, что мелко- и крупнозернистые образцы урана обладают неодинаковой стабильностью структуры при теплосменах. Если в материале с мелким зерном субструктура едва заметна даже после нескольких тысяч циклов, то при крупном зерне она развивается очень быстро. Исходное крупное зерно вскоре после начала термоциклирования начинает дробиться на ряд более мелких, и этот эффект прогрессивно увеличивается от цикла к циклу. Естественно, что скорость роста также постепенно увеличивается. Например, у образцов с исходным зерном 0,18 мм коэффициент роста, равный в начале термоциклирования 6*10в-5 1/цикл, после 700 циклов между 50 и 550°С повышается до 30*10в-5 1/цикл, т. е. увеличивается в 5 раз, в то время, как при величине зерна 0,015 мм он изменяется лишь с 60*10в-5 1/цикл до 70*10-в5 1/цикл, т. е. только на 16%.
У цинка, кадмия и олова не было обнаружено большого дробления зерен при циклическом термическом воздействии, в соответствии с чем и коэффициент роста перечисленных металлов характеризуется исключительной стабильностью. Лишь в некоторых случаях появляется субструктура, но она настолько бедна, что не в состоянии повлиять на формоизменение.
На первый взгляд кажется непостижимым, как может сохраняться величина зерна, когда деформация от формоизменения достигает десятков или даже сотен процентов. Вызывает также удивление и тот факт, что, несмотря на огромное удлинение изделия как целого, форма зерен совершенно не нарушается. Возможно, дело здесь в следующем. При циклическом термическом воздействии стационарный режим наступает очень быстро — после нескольких десятков нагревов и охлаждений. После этого в течение каждого цикла упрочнение снимается разупрочнением. Поскольку искажение за цикл очень невелико (так как пластическая деформация по величине не превышает теплового расширения), то, как уже дважды отмечалось выше, реализуется лишь тонкое скольжение и тем самым не создаются предпосылки для флюктуационного зарождения центров рекристаллизации. Если далее учесть взаимные сдвиги и переползание зерен по границам, то станет ясным, почему не изменяется и форма зерен.
Наряду с этим у цинка был обнаружен противоположный эффект, заключающийся в катастрофическом укрупнении зерна. Неотожженные цинковые прутки, вырезанные из прокованных на 73% обжатия и затем прокатанных на 40% обжатия заготовок, подвергнутые нагревам и охлаждениям от 10 до 210° С, показали огромное, все растущее увеличение зерна и соответствующее снижение коэффициента роста, когда время пребывания при верхней температуре составляло 5,5 мин. (об этом в свое время уже говорилось при рассмотрении фиг. 10). Нужно, впрочем, сказать, что приведенный здесь пример является совершенно исключительным, и мы упомянули о нем лишь для того, чтобы проиллюстрировать возможные неожиданные отклонения от общей тенденции.
Вообще же характерны не изменения в ту или иную сторону величины зерна, а скорее его удивительно высокая стабильность. Только у крупнозернистого урана образование субструктуры неотделимо от роста при теплосменах. По-видимому, это обусловлено как особо высокой анизотропией теплового расширения, так и наличием многочисленных систем скольжения и двойникования, обеспечивающих перекрестное скольжение и искажение структуры, достаточное для образования центров рекристаллизации.
Каковы же причины заметного уменьшения коэффициента роста при переходе к крупнозернистому материалу? К сожалению, однозначный ответ на поставленный вопрос пока не найден. Можно лишь перечислить некоторые соображения, высказанные в дискуссиях и оригинальных исследованиях.
Еще Пью усомнился, действительно ли в работе было обеспечено постоянство текстуры в серии урановых образцов с различным размером зерна. Если бы он был прав, то изменение коэффициента роста представлялось бы тривиальным. Однако внимательный анализ экспериментов Чизуика убеждает в том, что дело здесь не в нарушении преимущественной ориентировки кристаллитов.
В самом деле, технология выращивания зерна состояла в следующем. После β-термообработки, ликвидирующей текстуру, урановые заготовки для получения сильной текстуры прокатывались при 300° С на 70% обжатия и затем подвергались рекристаллизационному отжигу при 575° С. Далее все образцы вновь прокатывались теперь уже до различной осадки (от 0 до 10%) при комнатной температуре и еще раз отжигались при прежних условиях. Небольшая деформация при комнатной температуре обеспечивала получение необходимого размера зерна. Это видно из табл. 9 , в которой выписаны технологические данные для указанной серии образцов. Совершенно ясно, что добавочная деформация не могла сильно повлиять на текстуру, полученную предварительной прокаткой при 300° С.
Об этом говорил и Чизуик, показавший, что ни рентгенографическими, ни дилатометрическими способами разницы в преимущественной ориентировке кристаллитов найдено не было (во всяком случае колебание коэффициента термического расширения не выходило за пределы обычных ошибок). Только у образцов с особо крупным зерном удавалось заметить некоторое увеличение интенсивности вокруг полюса (021), да и то слишком малое, чтобы оно могло так сильно повлиять на коэффициент роста.
В опытах с оловом, кадмием и цинком текстура также оставалась практически неизменной. По крайней мере, по данным измерений коэффициента термического расширения, отклонения от нормы никогда не были значительными. Даже при самых маловероятных предположениях текстура не могла дать более нескольких процентов от общего уменьшения коэффициента роста.
He исключено, что при увеличении размера зерна изменяется характер распределения напряжений. Конечно, в термоупругой области для достаточно массивных образцов, когда по сечению укладывается множество зерен, напряженное состояние мало зависит от их величины. Однако в присутствии пластической деформации действуют иные закономерности. Если хотя бы в общих чертах справедлив механизм термического храповика по Бурке и Туркало, всякое варьирование в соотношении площади пограничных областей и объема кристаллитов неизбежно приведет к изменению поля действующих напряжений, а значит и коэффициента роста.
В крупнозернистом материале абсолютные сдвиги по границам, естественно, больше, нежели в мелкозернистом. Поэтому в первом случае должно быть больше время релаксации напряжений и, следовательно, при ограниченном периоде цикла — меньше коэффициент роста. Высказанное соображение подтверждалось в частности в ранних экспериментах с кадмием, в которых было показано, что при увеличении периода термического цикла разница в поведении изделий с большим и малым зерном несколько стирается. Однако более поздние опыты с цинком дали противоположный результат. Хотя коэффициенты роста образцов с зерном 0,03 мм и 0,07 мм были различны и очень сильно зависели от времени выдержки в горячей и холодной зонах, их отношение тем не менее оставалось постоянным. Таким образом, различие времен релаксации термоструктурных напряжений также нельзя принять за общую основу для объяснения влияния величины зерна.
Представляется, однако, вероятным, что большие абсолютные сдвиги по границам в крупнозернистых материалах действуют не путем влияния на время релаксации, а вследствие большего взаимного заклинивания зерен на их стыках, которое приводит к высоким перенапряжениям. Последние в состоянии тормозить развитие деформации в одном преимущественном направлении, так что она становится примерно симметричной знакопеременной и вместо «роста» приводит к разрушению от термической усталости. Основанием для такого предположения служат следующие наблюдения. Во-первых, было замечено, что коэффициент роста цинковых, кадмиевых и оловянных образцов с очень крупным зерном обычно постепенно снижается в процессе термоциклирования; такое снижение никак не связано ни с текстурой, ни с ростом зерна, но легко объясняется постепенным заклиниванием зерен на стыках. Поскольку, во-вторых, при высоких температурах концентрация напряжений в местах заклинивания не так высока (из-за быстрой релаксации), то различие в поведении образцов с неодинаковым зерном заметно меньше в районе повышенных температур (см. фиг. 51). В-третьих, прямые измерения кажущейся плотности и прочности показывают, что последние, как и следовало ожидать, за любое данное число теплосмен уменьшаются тем больше, чем крупнее зерно. В качестве примера, подтверждающего сказанное, в табл. 10 выписаны соответствующие опытные данные для технического цинка (99,97%), испытавшего нагревы и охлаждения от 10 до 210° С. (Образцы были предварительно прокатаны на 40% обжатия.)
По мнению Пью, влияние величины зерна может проистекать от разницы в относительных величинах скольжения и довойникования в мелко- и крупнозернистом материале. Он даже обещал обсудить этот вопрос в специальной статье, которую мы не смогли, к сожалению, отыскать.
Наконец, нужно учесть, что измельчение зерна имеет своим следствием нарушение степени гетерогенности структуры. Если оно сопровождается — по тем или иным причинам — изменением температурной зависимости времен релаксации напряжений в тех зонах, в которых они уравновешены, то здесь может быть удалось бы найти ключ к объяснению обсуждаемого эффекта.
He исключено также, что в необратимом тепловом формоизменении крупное зерно играет, хотя бы отчасти, такую же упрочняющую роль, как и в ползучести.
В заключение приходится однако констатировать, что несмотря на большое количество всевозможных предположений, сейчас еще не найдено удовлетворительное объяснение влияния величины зерна в процессах роста при теплосменах.