где (( - степень упрочнения в касательных напряжениях; G – модуль сдвига:

b –вектор Бюргерса; ( - плотность дислокаций k ( 1.

По исследованиям Одинга И.А. с сотрудниками и Горицкого В.М., плотность дислокаций в ЗКН может достигать ( = 1010 – 1011 см -2. Принимая ( = 1010 см -2,

G = 89000 Н/мм2, b = 3(10-7 мм, можно получить по формуле Тейлора (( = 134,4 Н/мм2 (13,7 кГ/мм2) или в нормальных напряжениях (( = 268,8 Н/мм2 (27,4 кГ/мм2), что примерно совпадает с приращением временного сопротивления ((в, определенном методом твердости (см. таблицу 2).

Согласно модели Зинера-Стро критическое напряжение ?К, вызывающее появление трещины, можно оценить по формуле:

?К = (3?G( / (8(1-() L((1/2,

где ( - поверхностная энергия; ( - коэффициент Пуассона; L – длина полосы скольжения.

Принимая G = 89000 Н/мм2, ( = 0,002 Н/мм, L = 0,015 мм (измеренное значение), (=0,28, можно получить ?К = 139,3 Н/мм2 (14,2 кГ/мм2) или (К = 278,6 Н/мм2 (28,4 кГ/мм2).

Следует отметить, что в области некоторых ЗКН произошло локальное мартенситное превращение под воздействием технологических факторов в процессе изготовления труб из данной стали аустенитного класса. Мартенситное превращение можно рассматривать в данном случае как дополнительный сдвиг локального объема металла с одновременным ( ( ( превращением. Подтверждением образования (-фазы является локальное появление намагниченности металла в ЗКН.

Из представленных выше результатов определения прироста напряжения в ЗКН, а также напряжения, необходимого для образования трещины, полученных расчетно-экспериментальным путем, следует их примерное совпадение.

- 14 -

аномальный эффект установлен также и для зависимости Холла-Петча, согласно которой твердость и предел текучести должны увеличиваться с уменьшением размера зерна, однако, при очень малых размерах нанозерен (порядок 10-20 нм) эти механические характеристики начинают снижаться, на что было обращено внимание в работах А.Н. Chockshi, A. Rosen (1989 г.), Н.И. Носковой, Е.Т. Пономаревой

(1994 г.), М.А. Глезера (2005 г.), Meyers, A.M. Michra, D.J.Benson (2006 г.), и других исследователей. По мнению Ю.И. Головина, основные причины такой аномалии заключаются в изменении механизма пластической деформации при доминирующей роли зернограничного проскальзывания или за счет образования и движения точечных дефектов и их кластеров.

Если рассматривать общие причины проявления масштабного эффекта, то для их объяснения используются такие подходы, как статистический (вероятность нахождения дефектов в объеме образца или детали), структурно-механический (неоднородность структуры, свойств материала, распределения напряжений и деформаций по сечению образца или объему детали), энергетический (различие в запасе упругой энергии) и др. На каждом размерном уровне первостепенные причины проявления масштабного эффекта различаются. Для микро- и наноуровней решающую роль приобретают такие факторы, как состояние поверхностного слоя, поверхностная энергия, смена механизма пластической деформации, увеличение скорости деформации и др.

В четвертой главе «Исследование структуры и упрочнения металла в локальных ЗКН» приведены результаты исследований микроструктуры металла ЗКН с использованием макро-и микроструктурного анализа и электронной микроскопии. В качестве объекта исследования были взяты отрезки труб ( 36х5 мм из стали ДИ-59 (10Х13Г12С2Р2Д2) котлоагрегата En-620-140-565БТ. При опрессовке были выявлены течи на прямолинейных участках этих труб. Исследование микроструктуры металла в местах протечек показало, что трещина возникает в области внутреннего дефекта. Этот дефект технологического происхождения явился местом скопления полос скольжения. Анализ скопления полос скольжения в ЗКН выполнялся с помощью растрового электронного микроскопа «TESCAN MIRA LMU». При увеличении в 1000 и более раз можно было увидеть пересекающиеся полосы первичного и вторичного скольжения, измерить их длину и расстояния между ними. На рис.7, а представлена микроструктура стали ДИ-59 в поперечном сечении трубы с дефектом (темная линия) и скопление полос скольжения у этого дефекта (рис.7,б). Эта зона скопления полос скольжения является типичным примером структурной ЗКН. Общая ширина области скопления полос составила ( 150 мкм, а длина (1200 мкм. Средняя длина отдельных полос составила ( 15 мкм, а расстояние между ними ( 0,5 мкм. После анализа полос скольжения были выполнены испытания индентированием с определением значений микро и макротвердости металла вне ЗКН и микротвердости в ЗКН (см табл.2). Для металла вне ЗКН оценен коэффициент влияния масштабного фактора (1=НV0,1/HV10, используя который можно было рассчитать макротвердость металла в ЗКН HV10 = HV0,1/(1. Принимая примерно равными значения НV и НВ на макроуровне, по значениям НВ можно было оценить (В металла в ЗКН и вне ЗКН на макроуровне по приближенной зависимости (В= 0,33 НВ (см. табл. 2). Приращение ((в в ЗКН за счет деформационного упрочнения составило 272,8 Н/мм2 (27,8 кГ/мм2).

микротвердости металла могут превосходить значения макротвердости этого же металла в 1,5 – 2 раза в зависимости от величины нагрузки вдавливания, а следовательно и от деформируемого объема. Предел текучести и временное сопротивление металла, определенные на микрообразцах диаметром 1 мм и менее, также возрастают в сравнении с этими же механическими характеристиками, определенными на макрообразцах диаметром 6-10 мм. В связи с этим возникает вопрос о возможности пересчета характеристик прочности по характеристикам твердости на разных масштабных уровнях. Ответ на этот вопрос можно получить, располагая закономерностями изменения твердости и прочности металла при переходе от одного масштабного уровня к другому.

В настоящем разделе диссертационной работы были выполнены эксперименты и исследования по влиянию масштабного фактора на характеристики твердости, определяемые вдавливанием пирамиды под разными нагрузками, и вдавливанием сферических инденторов различного диаметра при условии равенства угла вдавливания (отношения диаметра отпечатка к диаметру индентора). Если за критерий масштабного уровня выбрать глубину отпечатка, то эти уровни можно условно разграничить следующим образом. Наноуровень соответствует глубинам отпечатка менее 0,1 мкм (100 нм), микроуровень – 0,1…1 мкм, мезоуровень –

1…10 мкм, макроуровень > 10 мкм.

Для исследования влияния масштабного фактора на твердость, определяемую методами Виккерса и Бринелля, были взяты три образцовые стальные плитки, поверхности которых обрабатывались электролитным способом для снятия поверхностного наклепа. Плитки имели различный уровень макротвердости по Виккерсу, определенной под нагрузкой 5 кГ и с выдержкой под нагрузкой 10 с: плитка I - HV5/10 160, плитка II – HV5/10 200, плитка III – HV5/10 260. Причем эти же плитки имели примерно такие же значения макротвердости по Бринеллю, определенные вдавливанием индентора диаметром D = 2,5 мм под нагрузкой 187,5 кГ и с выдержкой под нагрузкой 10 с: плитка I – НВ2,5/187,5/10 162, плитка II – НВ2,5/187,5/10 205, плитка III – НВ2,5/187,5/10 262. При определении твердости по методу Бринелля были изготовлены сферические и сфероконические инденторы с радиусами скругления при вершине R = 0,05 – 5 мм (диаметром D = 0,1 – 10 мм). Вдавливание пирамиды и сферических инденторов с R = 0,05 - 2,5 мм проводили на аттестованном приборе МЭИ-Т7, снабженном сменными силовыми пружинами в зависимости от уровня нагрузки вдавливания и микроскопом МПВ-1 для измерения диаметров отпечатков. Вдавливание инденторов с R = 1,5 - 5 мм проводили на универсальной машине «Instron -5982» в режиме нагружения сжатием.

Следует отметить, что при вдавливании пирамиды под разными нагрузками соблюдается условие геометрического подобия за счет постоянства угла ( между гранями или ребрами в вершине пирамиды (рис. 1). При вдавливании сферического индентора одного диаметра под разными нагрузками нарушается условие геометрического подобия за счет изменения угла вдавливания (, однозначно связанного с отношением d/D = sin ((/2) (рис. 2). Поэтому сравнивать значения твердости по Бринеллю, определяемые вдавливанием сферических инденторов различного диаметра, необходимо при d/D = const. Известно, что при увеличении нагрузки вдавливания на один и тот же сферический индентор происходит увеличение твердости по Бринеллю до некоторого максимального значения, которое затем стабилизируется в некотором интервале d/D. Для многих конструкционных материалов выход твердости НВ на максимальное значение НВВ происходит при d/D близком к 0,375. Степень нагружения P/D2, при которой НВ = НВВ, зависит от уровня твердости материала и регламентирована ГОСТ 9012-59. Для конструкционных машиностроительных материалов P/D2 = 30 кГ/мм2 (294 Н/мм2).

Рис.1. Схема, иллюстрирующая условие геометрического подобия при вдавливании пирамиды и влияние масштабного фактора на твердость по Виккерсу HV.

Рис.2. Схемы, иллюстрирующие условие геометрического подобия при вдавливании сферического индентора и влияние масштабного фактора на твердость по Бринеллю НВ.

Таким образом, выявление масштабного фактора при вдавливании сферических инденторов различного диаметра возможно или при сравнении максимальных значений твердости НВВ или при сравнении значений твердости, определенных при d/D = const. Если выбранная степень нагружения обеспечивает получение НВВ, то можно сравнивать НВ при P/D2 = const.

При определении микротвердости металла подготовленных плиток вдавливанием пирамиды минимальная нагрузка вдавливания составляла 10Г. Испытания проводились на автоматизированных микротвердомере Buehler Micromet 2500 и твердомере Instron Tukon. На рис. 3, а представлены в графическом виде результаты определения твердости по Виккерсу для трех контрольных плиток при различных нагрузках вдавливания P.

а) б)

Рис.3. Изменения HV в зависимости от P (а) и в зависимости от 1/d (б).

Как следует из рис. 3 резкое повышение твердости HV начинается при нагрузке P ( 0,5 кГ (область микротвердости). Анализ зависимостей HV – P, представленных на

а) б)

Рис.6. Изменения (0,2, (В, (В в зависимости от d0 (а) и изменения НВ0,2, НВВ, n в зависимости

от D (б).

Следует отметить, что полученные результаты дают возможность оценить безобразцовым способом по характеристикам твердости значения механических характеристик одного и того же материала для образца заданного диаметра (поперечного сечения). А в расчетах на прочность использовать такие значения механических характеристик, которые соответствуют поперечному сечению образца, близкому к поперечному сечению сплошной детали. Это позволяет более обоснованно выбрать коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора, при расчетах деталей и конструкций на прочность.

Другой важный вывод заключается в том, что, несмотря на резкое изменение механических характеристик при растяжении и вдавливании в зависимости от размерных параметров, значения отношений (0,2/НВ0,2 и (В/НВВ изменяются незначительно и примерно равны 1/3. Это свидетельствует о том, что связь между характеристиками прочности при растяжении образцов и характеристиками твердости при вдавливании инденторов остается одинаковой по крайней мере на макро- и мезоуровнях деформирования при соблюдении предложенных условий подобия. Однако полученных результатов недостаточно для того, чтобы распространить этот вывод на микроуровень. В связи с этим были проведены испытания проволочных образцов диаметром 350 мкм. Эти образцы предварительно отжигались при 850(С для снятия наклепа, а затем испытывались на растяжение. Для испытаний вдавливанием проволочных образцов изготовлялись специальные микрошлифы. Для этого отрезки проволок помещались в цилиндрическую обойму, заполненную разогретым и размягченным полистиролом. Продольные оси отрезков выдерживались перпендикулярно основанию цилиндра. После затвердевания полистирола торцы проволок, расположенные в одной плоскости, фрезеровались, шлифовались и полировались. В результате такой подготовки можно было вдавливать инденторы малого диаметра в торцы проволочных образцов. Расчеты показали, что и для проволочных образцов с d0 = 0,30 мм, значения отношений (0,2/НВ0,2 и (В/НВВ оказались также примерно равными 1/3(см. таблицу 1).

Можно предположить, что выявленные закономерности сохраняются и на наноуровне. Однако для проверки этого предположения необходимо провести испытания металла на растяжение и вдавливание на этом масштабном уровне. В настоящей работе такая задача не ставилась. Вместе с тем следует отметить, что на наноуровне может проявляться аномальное явление, заключающееся не в увеличении характеристик прочности и твердости металла, а, наоборот, в их снижении. Такой

- 12 -

выполненные эксперименты, параметр n также изменяется при изменении D; происходит снижение n при уменьшении D и тем в большей степени, чем меньше D. Установлено, что такой же характер изменения наблюдается и для (ВВД, которое также снижается при уменьшении d0. Таким образом, параметры упрочнения n, (ВВД при вдавливании и (ВРАС при растяжении не являются константами материала, а уменьшаются при уменьшении D и d0. Следствием такого изменения параметров упрочнения является сближение значений НВ0,2 и НВВ при уменьшении D и сближение значений (0,2 и (В при уменьшении d0. Известно, что при отношении (0,2/(В, близком к 1, происходит снижение способности материала к деформационному упрочнению, резкое снижение предельной равномерной деформации и повышение склонности к хрупкому разрушению.

Масштабный фактор оказывает влияние не только на значения характеристик прочности и твердости, но и на форму диаграмм растяжения и вдавливания. На рис. 5 представлены диаграммы растяжения «условное напряжение ( - относительное сужение (РАС» для образцов диаметром 10, 1.37, 0,62 мм из стали 20 и диаграммы вдавливания той же стали « контактное напряжение по Бринеллю НВ - относительная деформация при вдавливании (ВД» для инденторов диаметром 10, 1, 0,4 мм.

а) б)

Рис.5. Диаграммы растяжения (а) и вдавливания (б) стали 20. Диаметры образцов: 1)- 10 мм, 2)- 1,37 мм, 3)- 0,62 мм. Диаметры инденторов: 1)-10 мм,2)-1 мм, 3)-0,4 мм

Диаграммы получены в пластической области деформирования в интервале от (0,2 до (В при растяжении и от НВ0,2 до НВВ при вдавливании. Видна явная аналогия диаграмм растяжения и вдавливания, при этом с уменьшением D и d0 диаграммы располагаются выше, а их выход на (В и НВВ происходит при меньших значениях (ВРАС и (ВВД.. Более того значения (ВРАС( (ВВД.

Более наглядное представление об изменении исследуемых механических характеристик стали 20 при растяжении и вдавливании можно получить из рис. 6. Зависимости, аналогичные изображенным на рис.6, были получены и для других марок стали с разным уровнем прочности и твердости.