§ 2.3. Диаграмма деформации поликристалла 89

Порог упругости. Действующие системы скольжения. Распределение сдвигов. Факторы Тэйлора и Закса Неоднородность деформаций. Диаграмма дефор­мации. Аппроксимации. Течение у поверхности Большие деформации. Рота­ционная мода Полосы сдвига “Холодная рекристаллизация”. Атермическое

разупрочнение

§2.4. Текстура и анизотропия деформации 97

Описание‘ориентировок. Способы отображения. Эволюция текстуры. Типы текстур. Текстурные компоненты. Статистика границ. Макронеоднород­ность. Анизотропия упругости. Анизотропия течения. Анизотропия пластич­ности

•ш 1

Часть II деформация 1

•мисис* 1

i,r^f 58

F= | \f (c)+P(c)|V c|²/2]d V. 61

J/feXte = <f(g)> = (1/87Г²) J J J Дф1,Ф,ф₂) sin® do dq>i dф2 = 1. 105

VYV 180

п^гъпЛН 389

pm ii 389

¥7 □ 479

шг 481

Зуб текучести. Полосы Людерса. Система образец - машина. Зубчатые диа­граммы деформации. Автоколебания. Фронт деформации - солитон. Типы зубцов. Адиабатный разогрев при криогенных температурах. Разогрев ульт­развуком. Ударная волна. Пластическая волна. Скорость метания. Гидроди­намика и кипение металла Схватывание. Структуры импульсной деформа­ции. Адиабатный срез. Полосы среза

•ш 1

Часть II деформация 1

•мисис* 1

i,r^f 58

F= | \f (c)+P(c)|V c|²/2]d V. 61

J/feXte = <f(g)> = (1/87Г²) J J J Дф1,Ф,ф₂) sin® do dq>i dф2 = 1. 105

VYV 180

п^гъпЛН 389

pm ii 389

¥7 □ 479

шг 481

Условия нагружения Стационарная ползучесть. Напряжение и скорость. Температура. Энергия дефекта упаковки. Субзерно. Вакансионная ползучесть Набарро-Херринга. Зернограничная ползучесть Кобла. Дислокационная ползучесть Харпера-Дорна Карта механизмов Нестационарная ползучесть. Третья стадия - ускорение ползучести. Ползучесть от “внутренних сил”

•ш 1

Часть II деформация 1

•мисис* 1

i,r^f 58

F= | \f (c)+P(c)|V c|²/2]d V. 61

J/feXte = <f(g)> = (1/87Г²) J J J Дф1,Ф,ф₂) sin® do dq>i dф2 = 1. 105

VYV 180

п^гъпЛН 389

pm ii 389

¥7 □ 479

шг 481

Решетки. Длиннопериодные сверхструктуры. ГЦК. ОЦК и ГПУ. Политипы Атомные объемы Существующие сверхструктуры. Точка Курнакова. Сте­пень порядка. Термодинамика упорядочения. Доменная структура. Энергия

АФГ

§4.2. Деформация интерметаллидов 185

Ядро дислокации. Сверхдислокация. Выбор семейства скольжения. “Прозрачные домены”. Сопротивление от тетрагональной деформации. Поперечное скольжение. Дефекты упаковки. Линии скольжения. Трубки АФГ. Двойникование. Мартенсит. Предел текучести. Неполный порядок. Диаграмма деформации. Величина зерна. Упрочнение с нагревом. Ползу­честь. Фазы Лавеса. Легирование

•ш 1

Часть II деформация 1

•мисис* 1

i,r^f 58

F= | \f (c)+P(c)|V c|²/2]d V. 61

J/feXte = <f(g)> = (1/87Г²) J J J Дф1,Ф,ф₂) sin® do dq>i dф2 = 1. 105

VYV 180

п^гъпЛН 389

pm ii 389

¥7 □ 479

шг 481

Концентрационное расширение. Жесткость связей. Энергия взаимодействия

атома примеси с дислокацией. Концентрационное упрочнение. Дислокация в случайном поле. Пиннинг. Сопротивление точечных препятствий. Цепь дуг. Расцепление. Стационарное движение по Фриделю. Групповые препятствия по Мотту-Лабушу. Скейлинг. Стационарное движение. Термическая актива­ция. Скорость дислокации. Измеренное упрочнение. Температурная зависи­мость упрочнения. Концентрационное смягчение. Концентрированные рас­творы. Ползучесть

§5.2. Сегрегации на дислокациях 252

Деформационное и закалочное старение. Сегрегации Коттрелла. Закрепление дислокаций. Зуб текучести. Сегрегация Сузуки. Кинетика сегрегации. Кине­тика упрочнения. Вязкое трение. Динамическое деформационное старение. Ползучесть

§5.3. Упрочнение упорядочением 266

Изменение объема и модулей упругости. Кинетика упорядочения. Доменные структуры. Напряжения и домены. Упрочнение от упорядочения. Упорядоче­ние после большой деформации. Ближний порядок. Равновесная степень ближнего порядка. Кинетика изменений ближнего порядка. Кластеры. Уп­рочнение от ближнего порядка. Линии скольжения. Теплая деформация

§5.4. Растворы внедрения: строение 282

Растворимость. Тип междоузлия. Парциальный объем. Интенсивность дипо­ля. Жесткость связи Ме-Х. Диффузия. Взаимодействие с вакансиями. Вне­дрение металлов. Дальний порядок. Кластеры. Закалочное старение. Тройные растворы замещения-внедрения. Порядок под напряжением

§5.5. Растворы внедрения: упрочнение 298

Взаимодействие примеси с дислокацией. Подвижность дислокаций. Концен­трационное упрочнение. Диаграмма деформации. Разбавленные растворы. “Смягчение, примесью”. Упрочнение кластерами. Сегрегации Коттрелла. Атмосферы Снука Деформационное старение. Динамическое деформацион­ное старение. Легирование. Растворы в интерметаллидах

§5.6. Растворы водорода

Парциальный объем. Равновесие с газом Измерения. Сверхравновесное растворение Растворение под напряжением. Ловушки. Взаимодействия с примесью Границы и дислокации. Поры Вместимость пор Рост пор Под­вижность водорода. “Связанный водород” Проницаемость поверхности. “Смягчение водородом”. Упрочнение водородом. Водородная сверхпластич­ность “Квазижидкое течение”

§5.7. Гидриды

Соединения Me - Н. Тройные системы. Сверхструктуры. Гидриды под напря­жением Сдвиговые превращения. Водороднофазовый наклеп. Деформация гидридов

§5.8. Радиационное упрочнение и разупрочнение

Порог смещения. Каскад столкновений. Число смещений на атом. Аннигиля­ция дефектов. Кластеры дефектов. Петли дислокаций. Радиационно стимули­рованная диффузия. Радиационное упрочнение. “Радиационное смягчение”. Имплантация. Радиационное упрочнение твердых растворов. Неравновесная сегрегация. Радиационная ползучесть. Инертные газы и поры. Распухание. Блистеры

Задачи к главе 5

Г л а в а 6. ДВУХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ

§6.1. Морфология и упругость

Связность. Частицы. Регулярность структур. Золь и гель. Фракталы. Перко- ляция. Модули упругости. Анизотропные частицы. Металлический войлок. Упругость фракталов. Соты. Пена

§6.2. Дислокации и границы фаз

Сопряжение решеток. Дислокации несоответствия. Ориентационное соответ­ствие. Солитоны. Пиннинг солитонов. Поле эпитаксиальной границы. Захват дислокаций. Пленки и сверхрешетки. Фасетирование. Проницаемость гра­ниц. Стесненная деформация и напряжения от частиц. Пластическая аккомо­дация. Упрочнение закалкой

§6.3. Перерезаемые частицы

Сопряжение частиц. Происхождение. Модулированные структуры. Дислока­ция в периодическом поле. Упрочнение спинодальным распадом. Сопротив­ление частицы перерезанию. Дефекты упаковки и антифазные границы. Ус­тупы. Дислокация в системе частиц. Размер частиц. Сверхдислокации. Петли Орована. Срез частиц. Величина зерна. Диаграмма деформации

§6.4. Неперерезаемые частицы

Накопление петель Орована. Аккомодация и упрочнение. Эффект Баушинге- ра. Ячеистая структура. Диаграммы деформации. Полосы деформации. Двойникование. Мягкие включения. Текстура. Устойчивость субзерна. Мел­кое зерно. Преодоление частиц переползанием. Сверхпластичность. Сложе­ние факторов упрочнения. Эволюция диаграмм деформации с распадом рас­твора

§6.5. Зерна двух фаз .

Типы структур. Предел текучести. Величина зерна. Синтез диаграммы де­формации Большие деформации. Равномерное удлинение Зернограничные сетки “Твердые сплавы” Течение-суспензий Дилатансия

§6.6. Пластинчатые структуры

Масштаб Эвтектики и эвтектоиды. “Одноосные” эвтектики Анизотропия текучести Совместное течение фаз. Перлит Большие деформации Утонение пластин и упрочнение Пакет лент

§6.7. Упрочнение волокнами

Композиции. Игольчатые эвтектики. Нити. Диаметр волокна. Диаграмма растяжения. Схемы нагружения. Сцепление. Критическая длина волокна. Неподвижная зона

§6.8. Ползучесть двухфазных структур

Одноосные структуры. Пороговое напряжение. Качество сопряжения фаз. Зерна двух фаз. САП. Неперерезаемые частицы. Смена механизмов. Размер частиц и скорость ползучести. Рост частиц. Неоднородность структуры. Перерезаемые частицы. Степень сопряжения. Эволюция структуры. Задержка дислокаций в частицах

§6.9. Фазовые превращения при деформации

Классы превращений. Мартенсит деформации. Остаточный аустенит. Равно­мерная пластичность. Деформация метастабильного аустенита. Легирование и путь превращения. Пластичность, наведенная превращением. Наследование дислокаций. Нормальные полиморфные превращения во время деформации. Превращения от адиабатного разогрева. Механическое легирование. Амор- физация

§6.10. Пористые структуры

Происхождение. Упругость. Диаграмма деформации. Торможение дислока­ций. Торможение границ. Деформация пор. Спекание. Течение порошков. Схватывание. Деформация твердожидких структур. Раскрытие пор при рас­тяжении. Слияние пор

Задачи к главе 6

Библиографический список

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс предназначен для подготовки специалистов по разработке и применению сплавов и композитов. В настоящей второй части излага­ется физика деформации на базе части первой [1] “Дефекты решетки” (ссылки на нее в тексте: “ч.1, с...”). Основные типы микроструктур, их происхождение, а также методы механических испытаний предполага­ются известными.

Не заменяя многих известных руководств по “зоологии сплавов” и композитов и их анатомии, курс рассматривает “физиологию материа­лов” - поведение многообразных структур в работе. Автор пытался отобрать то, что составляет “принцип действия” или четко ограничи­вает возможности сегодняшних и “завтрашних” материалов.

В отличие от учебников по общим курсам, ориентирующих в смеж­ных областях, цель курса для специалистов - научить всестороннему анализу ситуации: по качественным признакам и грубым оценкам вы­делить главное и выбрать способ действий (либо поставить конкрет­ную задачу эксперименту или аналитического описания явления). “Модель для объяснения” нужна специалисту только вместе с доказа­тельством ее применимости.

Автор исходил из того, что учебник по специальности не столько “база данных”, сколько “база знаний”. Он полезен, если к нему обра­щаются и после сдачи экзамена, для работы. Это определило отбор материала. Для основных зависимостей приведены “коренные” факты, которые их обосновывают, проверяют и наглядно очерчивают грани­цы применимости. Неизбежны и некоторые подробности (даже не нуж­ные для первоначального понимания), если без их учета реальную за­дачу не решить. “Конфликт” между легкостью чтения и необходимой обстоятельностью разрешался обычно в пользу системы фактов, про­веренной на непротиворечивость.

Ссылка на экспериментальное доказательство чего-либо не имеет цены без конкретного указания материала и условий. Сегодня многие результаты получены лишь численным исследованием моделей. При­водить их нет смысла, если не указаны допущения и условия моделиро­вания. Рассыпанные по тексту цифры, возможно, раздражают при пер­вом чтении, но ориентируют в порядках величин, если изложенное пытаться применять.

Первоначальное изучение облегчится, если пропускать выделенное петитом (подробности, примеры и некоторые выводы), но для практи­ческого действия оно понадобится. Из принципа "не дари рыбу - дари 8 удочку", все основные соотношения выведены (с обоснованием поста­новки задачи и приемлемости упрощений). Если разные авторы прихо­дят к одинаковой зависимости из совершенно разных, казалось бы, моделей, это обычно означает излишек деталей, не влияющих на ре­зультат. В таких случаях все сведено к простейшей модели, где видно происхождение зависимости. Дальнейшие усложнения анализируются качественно. Некоторые правильные и часто цитируемые частные ре­шения не приведены, если есть общее. Поучительные случаи и оценки вынесены в задачи. Ответы для большинства из них сообщаются в ос­новном тексте.

Местами пришлось сказать, чем плохи некоторые популярные моде­ли и объяснения, которые не выдержали проверку экспериментом, или распространились много шире первоначального обоснования, или не имеют предсказующей силы из-за неопределимости множества кон­стант.

Первичным материалом автору послужила собственная база данных из 3 10 ⁴ работ, отобранных в течение ряда лет при систематическом просмотре 30...35 ведущих журналов. Субъективность отбора,и пробе­лы при этом неизбежны. Охват предмета во всяком учебнике настолько широк, что по любому из вопросов есть специалист, знающий его луч­ше автора. Когда из совокупности фактов или анализа моделей выте­кали некоторые простые соотношения или соображения, автору ранее неизвестные, он приводил их, не предпринимая поисков для установле­ния приоритета. И потому заранее приносит извинения авторам, если выяснится, что это кем-то описано ранее.

Обозначения основных величин - те же, что и в части I. Но в курсе много больше разных величин, чем букв в алфавитах, и поэтому в раз­ных параграфах одна буква может означать разное. Формула (1.2.3) - это формула (3) в параграфе 1.2; при отсылках внутри параграфа ука­зывается просто (3).

Автор с благодарностью отмечает большое содействие Московского государственного института стали и сплавов в издании этой книги. Автор признателен рецензентам - профессору Н.М.Фонштейн и про­фессору Б.А.Калину. Постановка многих вопросов - следствие обсуж­дений конкретных задач с сотрудниками, аспирантами и студентами кафедры металловедения стали и высокопрочных сплавов; в работе с рукописью была важной помощь В.А.Волкова, С.Г.Бабакова, Э.А.Соколовской, С.Ю.Мартынова. Всех их автор благодарит за со­действие, а Светлану Николаевну Горбову - за многолетнее участие.

ВВЕДЕНИЕ

Физику прочности основал Галилей: обобщая свои опыты, он от­крыл (1638 г.), что при растяжении или сжатии нагрузка разрушения Р для данного материала зависит только от площади поперечного сече­ния F. Так появилась новая физическая величина - напряжение g=P/F- и физическая постоянная материала: напряжение разрушения. При испытаниях корабельных канатов Гук (1660 г.) открыл линейный закон упругости: приращение длины пропорционально силе. Через полтора­ста лет Юнг (1807 г.), введя нормировки, записал этот закон для на­пряжений и относительных деформаций о=еЕ и открыл существование константы вещества - модуля Юнга Е. Обобщенный трехмерный закон Гука и инварианты тензора напряжений открыл Коши (1822 г.) (хотя сами тензоры ввел Леви-Чивита только в 1899 г.). Единое уравнение теории упругости, очертившее ее как раздел физики, написали Навье (1821г.) и Грин (1839 г.). Фундаментальные задачи теории упругости решили физики и математики XVIII - XIX веков: задачу Галилея о прогибе консоли - Кулон и Коши, о продольном изгибе стержня - Эй­лер (1744 г.), о прогибе мембран - Пуассон и Кирхгоф. Общие уравне­ния изгиба и кручения вывел Сен-Венан (1856 г.), колебания стержней - Релей (1877 г.). Функцию напряжений ввел для плоской задачи Эйри (1862 г.) и для трехмерной - Максвелл (1870 г.). Дальнейшие работы свелись к решениям известного уравнения при разных краевых услови­ях и их упрощению для инженерных расчетов - физический этап иссле­дований закончился и обособилась техническая наука: сопротивление материалов.

Еще Кулон (1766 г.) нашел, что после достижения критического ка­сательного напряжения т_кр зависимость о(е) становится нелинейной. Определить эту константу т_кр (и другие механические свойства) доста­точно было экспериментально. Песочные весы для испытания струн сделал в XV веке Леонардо да Винчи, а промышленную лабораторию испытаний материалов основал Баушингер (1871 г.), впервые записав­ший всю диаграмму растяжения о(е).

На протяжении тысячелетий - от конца бронзового века и до конца XIX века - набор известных человеку материалов изменялся мало. Только век электричества и атомной энергии потребовал новых мате­риалов, число которых за последнее столетие выросло на два - три порядка. Возникла техническая наука - металловедение, изучавшая связь свойств сначала с составом и обработкой сплавов, а затем и с их микроструктурой. Многообразие - не только структур, но и самих свойств - сделало ненадежными эмпирические прогнозы по аналогии. С расширением условий работы сплавов (по температуре, времени, среде, облучению) обнаружилось много явлений, неизвестных физике твердого тела. И тогда пришли к необходимости вывести пластиче­скую деформацию и разрушение многих структур из неких общих за­кономерностей для элементарных процессов в кристаллической решет­ке, и задача о прочности вернулась в физику.

Как только убедились, что все металлы - поликристаллы, а пласти­ческая деформация - в отличие от упругой - дискретна и локализована в определенных плоскостях решетки (Карпентер и Элам, 1920 г.), ввели представление о ее носителях - дислокациях (Орован, Тэйлор, Поляни, 1934 г.), а также о других классах элементарных дефектов - точечных (Френкель, 1926 г.) и двумерных (Вилсон, 1942 г.). После появления средств прямого наблюдения: трансмиссионной электронной микро­скопии (Хирш; Хови и Вилан; Боллман, 1956 г.) и автоионной микро­скопии (Мюллер, 1959 г.) - знания дефектов решетки сформировались в цельную систему. Но выяснилось, что физика прочности здесь только начинается: реальные процессы - это коллективные эффекты движения и самоорганизации многих дефектов решетки во взаимодействии со структурой материала как их средой обитания. Это и есть сегодня предмет физики деформации и разрушения.

Создатели сплавов - металловеды начинали с изучения превращений и структур. Нередко на этом и заканчивали, подобрав для свойств одно из популярных объяснений. Напротив, композиты придумали и рас­считали конструкторы, действуя в твердом убеждении, что свойства компонентов есть в справочниках, так что микроструктура не инте­ресна. Когда в гонке за прочностью грань между сплавами и компози­тами начала стираться, две когорты встретились. Их взаимное непони­мание было настолько опасно непрофессиональными действиями, что позиции стали сближаться и возникло единое материаловедение, в ко­тором прогноз и синтез полезных структур основаны на анализе их работы.

Техника одинаково приемлет и удачные догадки, и широкозахват­ный эмпирический поиск, и синтез решения из физических принципов. Но чем крупнее и многообразнее задачи, тем необходимее знать эти принципы. Аппарата для прогноза любых свойств в любых структурах при любых условиях нет и не будет. В столь многомерной и многосвяз­ной большой системе нельзя надеяться найти универсальное уравнение, предсказывающее процессы деформации вплоть до макросвойств. Вся­кая физическая модель - результат ранжировки и компромиссного отбора наименьшего числа факторов, при котором еще сохраняются главнейшие черты явления. Она позволяет, оценив, отсечь бесперспек­тивные пути и свести задачу к определенному классу, где-либо известна зависимость, либо возможна четкая постановка задачи. Вопрос опти­мизации затрат и сроков: что в этой задаче решать экспериментально, что аналитически, что на численных моделях, чтобы ответить, какая структура сможет обеспечить заданный комплекс свойств.

Цель анализа и предсказания - управление: нащупать главные в данной ситуации рычаги и указать пределы их воздействия и типы по­ведения системы в зависимости от изменений параметров. Простые односвязные модели - база для понимания. Предмет прикладных ис­следований - обычно тонкие эффекты конкуренции факторов пример­но равной силы в многосвязной сети. ”Во всем на свете есть та или иная система. Если ее во время не обнаружишь, тем хуже для тебя." (Р.Шекли “Заповедная зона”). Факты и модели для книги отбирались, чтобы очертить эту систему для специалиста по применению и разра­ботке материалов.

Хотя всякое разрушение - естественное следствие некоторого пла­стического течения, нередко либо говорят сразу о разрушении там, где ничего неизвестно о деформации, либо заканчивают обсуждение де­формации самоочевидностью разрушения. В противовес традиции в этой книге - только деформация.

Г Л А В А 1. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛА