Пластическая деформация металлов - Хоникомб Р.
Скачать (прямая ссылка):
"298
Глава 22
Анизотропия теплового расширения обусловливает возникновение внутренних напряжений в металлах с некубической решеткой при изменении их температуры, так как в агрегате беспорядочно ориентированных кристаллитов тепловое расширение в дан-
при
Ot-
Ф и г. 12.15. Пластическая деформация в поликристаллическом кадмии после 10 термоциклов в пределах от 20 до 150° С, X 80.
ном направлении меняется пересечении границы зерна. дельные зерна не могут изменять свои размеры в определенных направлениях в полном соответствии с коэффициентом теплового расширения, так как этому препятствуют их прочные связи с соседними зернами; возникающие при этом внутренние напряжения могут привести к пластической деформации, если флуктуация температуры окажется достаточно большой (фиг. 12.15).
Боас и Хоникомб [56] показали, что поликристаллические образцы кадмия, цинка и олова, будучи подвергнуты термоцикли-рованию в интервале температур от 20 до 150° С, получают значительную пластическую деформацию, тогда как изотропные металлы, такие, как свинец, при подобных обстоятельствах не деформируются. Совершенно ясно, что деформация связана ъ величиной анизотропии теплового расширения; так, магний, имеющий малую величину анизотропии теплового расширения, деформируется при термоциклировании меньше, чем цинк и кадмий. У последних можно обнаружить заметные признаки сдвигов, двойникования и перемещения границ зерен, которые практически отсутствуют у магния при аналогичных условиях. Было предложено несколько вариантов формул для напряжения как функции теплового расширения; при этом использовали модель либо бикристалла [56], либо неупорядоченного агрегата [57]. Так, на основании последней модели получена следующая формула: Та
а = 3гтД-т^(ас-аа) аТ.
ZOO
3(l-v)
ш) 600 Температура, "с
8OO
Tt
Фиг. 12.16. Ориентировочные значения максимального напряжения, возникающего в цирконии в процессе термоциклировании [58].
График этой зависимости для цирко ния с гексагональной решеткой пока зан на фиг. 12.16: предел текучести
циркония при 400° С равен приблизительно 5 кгс/мм2; таким образом, при термоциклировании в интервале 20—400° С следует ожидать пластической деформации. Это было подтверждено экспериментально [58].
В неупорядоченном поликристаллическом агрегате термоциклирование приводит к короблению поверхности, но не вызывает изменения размеров.
Анизотропия в поликристаллических металлах
299
Однако если в материале имеется преимущественная ориентировка, то тер-моциклирование обусловливает изменение размеров образцов, т. е. рост; при этом величина деформации определяется ориентировкой кристаллитов. Роль текстуры имеет практическое значение при термоциклировании а-урана [59], у которого скорость роста в процессе термоциклирования увеличивается с увеличением степени обжатия прутка по сечению перед термо-циклированием. Однако если разориентировать зерна путем отжига в области температур существования ?-урана, то последующий рост при термоциклировании будет очень мал. Рост урановых прутков в процессе термоциклирования показан на фиг. 12.17; наиболее интенсивное термоциклирование может привести к увеличению длины прутков на 30%. На практике текстура никогда не является единственным фактором, влияющим на рост; показано, что температурный интервал, скорости нагрева и охлаждения, время выдержки при верхней температуре и величина зерен также оказывают влияние на рост металла при термоциклировании [60]. Интересным побочным эффектом термоциклирования является ускорение ползучести в результате действия меж-зеренных напряжений, которые могут усилить внешние напряжения [61, 62].
Процесс роста можно изучать в упрощенных условиях путем термоциклирования бикристалла; в результате подобных экспериментов на образцах цинка было обнаружено, что один кристалл растет быстрее, чем другой, однако это имеет место лишь в том случае, когда температура достаточно высока для межзеренного скольжения [63]. Указанное явление часто называют «термическим стопорением». При нагреве зерно А стремится расшириться быстрее, чем зерно В в направлении, параллельном их общей границе, что в определенный момент приводит к его пластической деформации, являющейся результатом сопротивления зерна В. Как только будет достигнута достаточная температура, произойдет скольжение по межзеренной границе, которое ослабит действующее напряжение. При охлаждении скольжение по границе в конце концов прекращается, а вместо него появляются сдвиги под действием напряжений, возникающих опять в зерне А. При следующем нагреве напряжение переходит через нуль и весь процесс повторяется, приводя к периодическим скольжениям по границе и сдвигам внутри зерен. Другие теории не рассматривают явление «термического стопорения» как механизм, действующий в поликристаллических металлах. Было установлено, что в уране, помимо анизотропии теплового расширения отдельных зерен, еще два фактора являются определяющими для процесса роста — это, во-первых, двойная волокнистая текстура, оба компонента которой имеют различные коэффициенты теплового расширения вдоль оси прутка, и, во-вторых, изменение вида деформации в процессе повышения температуры [64]. Первый из этих факторов, по-видимому, не является принципиальным, хотя в общем нет сомнения, что для роста необходимо наличие некоторой текстуры. С другой стороны, подтверждается точка зрения, согласно которой
