Внутренние напряжения в перлите

Внутренние напряжения, возникающие на уровне микроструктуры, играют ключевую роль в микромеханике деформируемого материала (глава 1), в частности в структурои текстурообразовании. Тем не менее, наши знания о них до последнего времени были крайне ограничены, главным образом, вследствие методических сложностей при их экспериментальном определении [188]. Ниже речь пойдет об исследовании внутренних напряжений в тонкопластинчатом перлите, эволюцию структуры которого мы рассматривали в предыдущей главе.

После снятия внешней нагрузки внутренние напряжения, будучи связанными со структурными дефектами, не исчезают, а переходят в разряд остаточных и могут быть определены экспериментально. Однако определение остаточных напряжений с помощью рентгеновской дифрактометрии страдает большой погрешностью, сравнимой с самими напряжений, если последние невелики [190]. Перлитная сталь является в этом отношении подходящим материалом, поскольку уровень напряжений в ней, благодаря упрочняющему эффекту цементитных прослоек, относительно высок [157].

Как уже отмечалось в главе 4, перлит, подвергнутый большой пластической деформацией, имеет уникальные свойства, природа которых до сих пор нс вполне понятна [156,157]. Эта уникальность заключается в сочетании очень высокой прочности (более 3 ГПа) со значительной пластичностью. Что самое любопытное, пластичность перлита возрастает при увеличении деформации волочением в довольно широком интервале степеней деформации (материал при этом нормально упрочняется) [157]. Такое явление обычно не наблюдается в однофазных материалах, и, по-видимому, связано с особенностями пластической деформации гетерофазной структуры перлита.

В исходном состоянии цементитные ламели по-разному ориентированы в разных колониях, но в процессе волочения они постепенно выстраиваются вдоль оси деформации — формируется так называемая металлографическая текстура. По мнению Зелина [157] последнее обстоятельство должно приводить к снижению уровня внутренних напряжений, вызванных несовместностью деформации соседних колоний, и гем самым может быть причиной повышения пластичности. Заметим, что к аналогичному результату должно приводить и формирование однокомпонентной аксиальной текстуры феррита, поскольку оно также уменьшает пластическую неоднородность материала.

Однако можно ожидать, что в перлите как гетерофазном материале существенную роль играют внутренние напряжения другого типа, а именно, те, которые вызваны пластическим взаимодействием фазовых составляющих. Обе фазы пластичны и претерпевают в ходе деформации значительные структурные превращения. Феррит внутри отдельных колоний фрагментируется на сильно разориентированные микрообласти (глава 4). При этом плотность дислокаций внутри ферритных ламелей возрастает до очень больших значений. Так, согласно [175], при е = 3.7 она достигает 2×10¹⁶ м'².

Более радикальные изменения происходят в цементите. Утонение цсментитных ламелей, соответствующее уменьшению диаметра проволоки, свидетельствует о пластической деформации цементита. Однако механизм деформации имеет свою специфику, в отличии от деформации ферритной фазы. Первоначально происходит перерезание цементитиых ламелей дислокациями, в результате чего образуются антифазные границы [169]. В дальнейшем сдвиг, по-видимому, локализуется в этих зонах [168,169]. Хотя пока нет детальной информации о деформационной структуре цементитных ламелей при больших деформациях, установлено, что цементит сильно фрагментирован, и при этом уровень искажений чрезвычайно высок, вплоть до возможной аморфизации [161]. Более того, наблюдается растворение цементита [161−165,169−173], механизм которого является предметом продолжающихся дискуссий. До недавнего времени обсуждались в основном два механизма. Согласно первому из них, углерод из цементитных ламелей выносится дислокациями [164]. Согласно второму, высокая плотность дефектов и повышение энергии межфазных границ, на которых локализуется пластическая несовместность, делает цементит термодинамически нестабильным [159]. В самое последнее время было однако высказано предположение [191], что решающую роль в распаде цементита играют вакансии, образующиеся в процессе деформации. Энергия взаимодействия атома углерода с вакансией в феррите больше, чем его энергия связи углерода с железом в цементите [191], а по данным работы [170] после деформации волочением е = 3 концентрация вакансий составляет 10″ ⁵— 10^-4 (при том, что равновесная концентрация при комнатной температуре в феррите — менее 10'²⁰). Кроме того, в [191] было показано, что распад аустенита происходит не в процессе деформации, а в течении некоторого времени после ее окончания. Если этот результат соответствует действительности, то приходится отказаться от механизма выноса углерода дислокациями. В любом случае очевидно, что эти структурные изменения цементитной составляющей могут существенно сказаться на пластическом взаимодействии цементита с ферритом и, тем самым, на уровне внутренних напряжений.

Таким образом, напряжения, возникающие в масштабе пластически неоднородной гетерофазной структуры перлита, являются характеристикой, изучение которой может пролить свет на механизм деформации и природу необычного пластического поведения ламелярного перлита. Однако, как будет понятно из нижеследующего, для того, чтобы определить «межфазные» напряжения, необходимо решить принципиальную методическую проблему, связанную с экспериментальным определением остаточных напряжений в материале с острой кристаллографической текстурой. Кроме того, в материале могут присутствовать остаточные макронапряжения, которые накладываются на межфазные. С одной стороны, эти макронапряжения затрудняют оценку микронапряжений, а с другой стороны, часто именно их определение требуется на практике. Обсуждению указанной проблемы и разработке методики ее решения посвящен следующий раздел.