Характеристики ползучести магния

30.10.2019

С целью нахождения соответствия неустановившегося и установившегося состояний ползучести в поликристаллическом магнии с процессами деформации Робертс исследовал механизм и кинетику ползучести мелкокристаллических прессованных образцов из электролитического магния. Исследование было проведено в области температур 93—316° С при нагрузках от 0,78 до 6,25 кг/мм2. Кривые ползучести, представляющие собой зависимость деформации от времени, как обычно, состояли из двух участков: первый — соответствующий начальной неустановившейся стадии ползучести, в течение которой скорость деформации уменьшается со временем, а второй — соответствующий установившейся стадии ползучести, в течение которой скорость деформации линейно изменяется со временем. Стадия неустановившейся ползучести преобладает при низких температурах испытания для всех указанных нагрузок; с увеличением температуры и, в меньшей степени, с уменьшением нагрузки преобладает стадия установившейся ползучести, поэтому при максимальной температуре и минимальной нагрузке переходная стадия почти отсутствует.

В результате работы найдено, что деформацию неустановившейся ползучести е1 можно выразить уравнением
Характеристики ползучести магния

где в — функция температуры и нагрузки, n — постоянная и t — время, час.

Для данной температуры и нагрузки в численно равна деформации за один час, а n представляет собой наклон кривой зависимости lg e1 от t. Постоянная n имеет значение 0,53.

С целью установления зависимости в от температуры и нагрузки Робертс построил кривые зависимости lg в от логарифма нагрузки для данной температуры и lg в от 1/Т для нагрузки 1,9 кг/мм2. Из кривых следует, что р = B(T)*om, где m — постоянная, равная 4. B(T) можно выразить через A*e-Q/RT, где Q равно 15 500 кал/г-атом и A =4,5*10в-9. В работе показано, что установившуюся стадию ползучести можно точно выразить соотношением е2 = k(оb(T), T)t, где коэффициент К определяется из эксперимента; k — степенная функция деформации, а b — сложная функция от температуры.

Таким образом, кривые ползучести можно выразить следующим образам:

Процесс деформации при различных температурах исследовали металлографически. При более низких температурах наблюдались прямые линии скольжения, указывающие на то, что в данном случае основным механизмом ползучести является скольжение по плоскостям основания. С увеличением температуры линии скольжения становятся более толстыми и неоднородными. Было замечено, что при всех температурах внутри исходных слегка разориентированных зерен образуются субзерна, разделенные резкими границами. При более низких температурах деформация у границ зерен играет меньшую роль в процессе ползучести, чем деформация внутри зерен, однако с повышением температуры деформация по границам зерен увеличивается.

На основании этих данных Робертс пришел к заключению, что неустановившаяся стадия ползучести связана с деформацией внутри зерен, а установившаяся — с деформацией по границам зерен. При более высоких температурах и более низких напряжениях, при которых неустановившаяся стадия ползучести почти отсутствует, наблюдается незначительное число линий скольжения, субзерна почти не образуются и можно предположить, что единственным механизмом ползучести является деформация по границам зерен.

Для уточнения этого предположения Робертс металлографически исследовал природу явлений, происходящих у границ зерен, и пришел к выводу о том, что приложенная нагрузка приводит к дополнительному скольжению у границ зерен и к миграции самих зерен, если температура достаточно высока. Сначала скольжение происходит по границам, расположенным приблизительно под углом 45° к направлению оси деформации, до тех пор, пока оно не приостанавливается в результате взаимодействия с соседними зернами. На этой стадии энергия деформации локализуется вблизи границ зерен. Она, по-видимому, уменьшается локально в результате миграции границы зерен, после которой может происходить дополнительный сдвиг границы зерна.

Таким образом, процесс ползучести можно рассматривать как циклический, в ходе которого энергия деформации зерен, определяемая величиной приложенного напряжения, уменьшается. При этом происходит ускоренный рост зерен под действием нагрузки и одновременная деформация их, что в конечном счете может привести к поглощению одних зерен другими. Важно уяснить, что изменение числа зерен является дополнительным процессом к процессу деформации, который приводит только к изменению формы зерна и может происходить лишь в материале, благоприятно ориентированном относительно направления приложенной нагрузки.

В экспериментах Робертса двойникование фактически отсутствовало. Это объясняется тем, что плоскости основания прессованного материала были почти параллельны направлению растяжения.

Общий вывод из этих экспериментов заключается в том, что при ползучести кристаллического магния при повышенных температурах скольжение внутри зерен и субзерен поликристаллического магния постепенно приводит к деформации по границам зерен. Аналогичный механизм деформации имеет место когда при данной температуре понижается величина приложенного напряжения. Процессы скольжения по границам и внутри зерен могут накладываться, и можно ожидать, что такой механизм деформации, зависящий от нагрузки и температуры, является основным, определяющим скорость ползучести.

Неустановившаяся стадия ползучести благодаря скольжению и образованию субзерен является основной при низких температурах, а также и при более высоких температурах при больших нагрузках. Установившаяся стадия ползучести, которую связывают с циклическим процессом скольжения и миграции границ зерен, более, важна при высоких температурах и низких нагрузках и зависит от скорости деформации.

Последующая работа Робертса, посвященная изучению механизма ползучести в сплавах Mg—Ce, имеющих значительно большее сопротивление ползучести, чем чистый магний, будет рассмотрена ниже. Робертс и Каулинг, используя мелкозернистый электролитический магний, более детально исследовали роль границ зерен в процессе ползучести поликристаллического магния при высоких температурах. Образцы, подвергнутые предварительно злектрополировке, были использованы на ползучесть при 316° С и различных нагрузках от 0,19 до 0,47 кг/мм2. При этом общая деформация достигала 6%. Кроме того, дополнительно была исследована ползучесть образцов при одинаковом напряжении и различных температурах. С помощью тонкой сетки, нанесенной на поверхность образца, оценивалась величина деформации, локализованная у границ зерен. Было найдено, что в большинстве образцов деформация, локализованная у границ зерен, составляет более 50% общей деформации. Было найдено также, что происходит заметная миграция границ зерен. В соответствии с более ранней работой величина деформации на границах зерен при данной температуре испытания увеличивается с уменьшением напряжения (т. е. с уменьшением скорости деформации), тогда как при постоянной скорости деформации увеличение температуры облегчает протекание процессов у границы зерен.

Таким образом, можно полагать, что роль процессов скольжения и двойникования в ползучести магния при повышенных температурах до некоторой степени уменьшается вследствие местного понижения энергии деформации после сдвига у границы зерна за счет миграции самой границы, который благоприятствует дальнейшему сдвигу.

Следует указать, однако, что процессы деформации внутри зерен имеют также существенное значение; качественно они изучались Чаудхури с сотрудниками. В первой работе металлографически исследовались образцы поликристаллического магния высокой чистоты на ползучесть при постоянном напряжении от 0,35 до 0,43 кг/мм2 при 260° С. Были обнаружены риски, которые настолько похожи на следы, обнаруженные Бакарианом и Маттеусоном на монокристаллах магния, что можно считать установленным наличие скольжения как по плоскостям основания, так и по другим плоскостям. Наряду с образованием субзерен за счет изгиба решетки авторы наблюдали двойникование и различные эффекты, обусловленные скольжением и миграцией границ зерен.

При более детальном исследовании Чаудхури с сотрудниками применил образцы диаметром от 2 до 3 мм с плоскими выточками на противоположных сторонах для облегчения металлографического наблюдения и рентгеновского определения ориентации зерна. Испытания на ползучесть производили в основном при 371° С и напряжении от 0,092 до 0,265 кг/мм2.

Для определения плоскостей скольжения на некоторых поверхностях, расположенных под известными углами друг к другу, тщательно измеряли углы между следами скольжения и направлением действующей нагрузки. Обычно при начальном нагружении наблюдалось скольжение по плоскости основания такого же типа, как и при больших скоростях деформации. Однако затем в процессе испытания на ползучесть постепенно развивалось скольжение по другим плоскостям, за счет которого осуществлялась большая часть общей деформации. Как и в предыдущих наблюдениях деформации при высоких температурах, линии, образованные таким типом скольжения, очень рельефны и в пределах данного зерна почти параллельны. На поверхностях, почти параллельных направлению скольжения, образуются рельефные линии скольжения и наблюдается только одна система параллельных следов, указывающая на возможность скольжения только в одном направлении, наиболее плотно усеянном атомами ([112,0]). При увеличении угла между исследуемой поверхностью и направлением скольжения следы скольжения становятся более грубыми; как и следовало ожидать, наиболее грубые следы наблюдаются и на поверхности под углом 90° к той поверхности, на которой следы скольжения наиболее резкие.

Анализ следов скольжения, однако, не подтвердил, что они обусловлены скольжением по плоскостям пирамиды. Наблюдаемая плоскость скольжения не соответствовала никакой кристаллографической плоскости с низкими индексами и лежала между плоскостью призмы типа {101,0} и плоскостью пирамиды типа {101,1}. В общем, наблюдаемая плоскость скольжения была ближе к плоскости {101,0}, чем к {101,1}. Кроме того, угол между нормалью к наблюдаемой плоскости скольжения и нормалями к плоскостям {101,0} и {101,1} изменялся от опыта к опыту. Так, угол между нормалями к плоскости скольжения и к плоскости {101,1} изменялся от 12 до 28°, тогда как угол между нормалями, к плоскости скольжения и к плоскости {101,0} — от 3 до 18°. Это указывает, что скольжению, происходящему не по плоскости основания, невозможно приписать какую-нибудь определенную кристаллографическую плоскость. Нормаль к плоскости скольжения, однако, располагается в пределах углов 1—8° относительно нормали к плоскости, в которой составляющая напряжения максимальна.

Таким образом, можно считать, что возникновение волнистых плоскостей скольжения обусловлено сложным скольжением между плоскостями, при котором сохраняется то же направление скольжения вдоль рядов, наиболее густо усеянных атомами. А поскольку нормаль к наблюдаемой плоскости скольжения лежит ближе всего к нормалям к плоскостям {101,0} и {101,7), то следует предположить, что эти плоскости участвуют в скольжении. Следовательно, в каждом данном зерне плоскость, проекция составляющей скалывающего напряжения на которую максимальна, по-видимому, является плоскостью скольжения. Можно представить себе, что скольжение происходит последовательно частично по плоскости {101,0}, частично по плоскости {101,1}, так что видимая плоскость скольжения приблизительно совпадает с плоскостью, составляющая скалывающего напряжения на которой максимальна. Это объясняет волнистый характер следов скольжения, видимых на поверхностях после испытания на ползучесть (рис. 121), поскольку участвующие в процессе плоскости пересекаются под определенным углом вдоль обычного направления скольжения [121,0]. Действительно, этот угол (всего 28°) дает возможность обеим плоскостям совместно участвовать в процессе скольжения приблизительно в равных долях, причем участию обеих плоскостей способствует приблизительно одинаковая плотность упаковки атомов в них, благодаря которой в обоих случаях скольжение должно происходить с одинаковой легкостью.

Атомную плотность можно выразить как отношение числа атомов в плоскости к площади плоскости. Тогда для плоскостей {101,1} 2/а V3а2 + 4с2 = 0,0528 и для плоскостей {101,0} 1/ac = 0,0597, где а — межатомное расстояние в плоскости основания и с — период элементарной ячейки. Эти плотности очень близки, хотя они значительно меньше плотности плотноупакованных плоскостей базиса {0,114}. Несколько более высокая плотность для плоскостей {101,0} по-видимому, может объяснить, почему наблюдаемая плоскость скольжения обычно лежит ближе к плоскости {101,0}, чем к {101,1}.

В результате исследования найдено, что следы небазального скольжения по рассматриваемым плоскостям на поверхности данного зернам только в первом приближении параллельны между собой в пределах этого зерна. Это свидетельствует о том, что доля плоскостей скольжения {101,0} и {101,1} в общей деформации не постоянна даже в пределах одного зерна. Следовательно, в каждой локализованной области, в которой видна полоса скольжения, скольжение по плоскостям {101,0} и {101,1} может быть различным, что приводит к отклонению следов от параллельности, как это видно на рис. 121.

Таким образом, механизм деформации магния сложен. Основной механизм деформации — скольжение по плотноупакованным плоскостям базиса. Однако при некоторых условиях, когда ориентация этих плоскостей неблагоприятна, скольжение начинается по другим плоскостям. Так, при низких температурах, приближающихся к температуре жидкого азота, большое значение имеет скольжение по плоскостям призмы {101,0}, тогда как при высоких температурах, по-видимому, следует учитывать скольжение как по плоскостям призмы {101,0}, так и по плоскостям пирамиды {101,1}. Кроме того, в магнии наблюдается двойникование, а при испытании на ползучесть при повышенных температурах немалую роль в процессе деформации начинает играть скольжение и миграция границ зерен.

Значение каждого из этих факторов в процессе деформации в каждом конкретном случае зависит от условий деформации и в первую очередь от температуры, величины приложенного напряжения и скорости деформации. Например, маловероятно, чтобы сложный механизм скольжения, предложенный Чаудхури и др., наблюдался при комнатной температуре для относительно высоких скоростей деформации, поскольку чем выше скорость деформации, тем более легко может произойти двойникование и изгиб, если ориентация неблагоприятна для возникновения скольжения по плоскости основания.

Некоторое несовпадение результатов, полученных различными исследователями, по-видимому, скорее всего обусловлено неодинаковыми скоростями деформации, величинами приложенного напряжения и размерами зерен в условиях температур, при которых в процессе деформации, кроме плоскостей основания, начинают принимать участие и другие плоскости. Основной вывод, однако, заключающийся в том, что в процессе скольжения наряду с плоскостями основания принимают участие и другие плоскости, достаточно ясен.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна