Глава 2
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И ОГНЕСТОЙКОСТЬ
МЕТАЛЛОВ
Сопротивление развитию пластической деформации, которое оказывает несущая металлическая конструкция нагружающему напряжению, определяет ее огнестойкость [20]. При возникновении и усилении пожара, сопровождающегося повышением температуры, это сопротивление, как правило, снижается из-за разнообразных процессов уменьшения запасенной энергии структуры металла. Когда сопротивление развитию пластической деформации и определяемое им критическое напряжение станет меньшим приложенного напряжения, начинается пластическое течение и, в итоге, разрушение несущей конструкции и самого сооружения [23]. С точки зрения прочности именно это вкладывается в понятие предела огнестойкости, который является важнейшей характеристикой пожарной безопасности [21,22].
Сказанного достаточно, чтобы понять насколько важную роль играет пластическая деформация и деформационное упрочнение в формировании предела огнестойкости. Поэтому детальное рассмотрение процессов пластической деформации и деформационного упрочнения позволит понять физическую природу огнестойкости. Особенное внимание уделяется тем физическим механизмам, которые могут привести к повышению предела огнестойкости металлов, а, следовательно, несущей металлической конструкции сооружения.
Энергия, запасенная при деформировании
В процессе пластической деформации резко (на 3-4 порядка) растет плотность дислокаций и значительно увеличивается концентрация точечных дефектов. Это повышает свободную энергию деформированного тела. Особенно резко она растет за счет дислокаций, общая энергия которых в соответствии с выражением (1.15) пропорциональна их плотности.
Значительная часть энергии, затрачиваемой на деформирование, выделяется в виде тепла. Остальная же энергия накапливается кристаллом. Значение этой запасенной потенциальной энергии, которую называют скрытой энергией наклепа, связано со структурными изменениями, происходящими в процессе пластической деформации.
С увеличением деформации скрытая энергия наклепа вначале возрастает интенсивно, а затем ее рост замедляется, приближаясь к насыщению. Так, для меди, деформированной кручением, при малых степенях деформации поглощается до 10 % затраченной энергии, а при больших только 3 %. Это согласуется с уменьшением деформационного упрочнения на третьей стадии – деформации и объясняется явлением динамического возврата (гл. 4).
Абсолютное значение удельной скрытой энергии наклепа колеблется в широких пределах, так как зависит от типа деформированного металла, в частности, от его кристаллической решетки, от наличия в нем примесей, размера зерен, вида деформации и т. д. Сплавы с решеткой ГЦК упрочняются в несколько раз интенсивнее, чем сплавы с решеткой ОЦК, что иллюстрируется табл. 2.1.
Таблица 2.1. Изменение механических свойств сталей после холодной деформации.
| Сталь | Степень деформации % | Свойства | |||
| sв МПа | s0,2 МПа | d % | j % | ||
| Углеродистая (0.08 % С, решетка ОЦК) | |||||
| Высоколегированная аустенитная (решетка ГЦК) | |||||
| - | - | ||||
Наклеп вызывает также изменение некоторых физических свойств металла (растет электросопротивление, коэрцитивная сила, падает индукция и магнитная проницаемость). В связи со сказанным в практике необходимо учитывать те изменения в свойствах металла, которые вызываются запасенной энергией [31].
На рис. 2.18 показано изменение запасенной энергии в процессе деформации сплава золото — серебро для разных температур. При низких температурах (Т = 77 К) накапливается значительно большая запасенная энергия (кривая 2), чем при комнатной температуре (кривая 1). Это хорошо согласуется с тем, что при низких температурах и предел текучести, и деформационное упрочнение больше. В данном случае дислокации эффективнее тормозятся различными препятствиями. При этом накапливается большая .потенциальная энергия.
Рис. 2.18. Зависимость запасенной энергии от степени деформации сплава 82,6 % Аи и 17,4% Ag: 1 - температура 77 К; 2 — комнатная температура (Д. Мак Лин)
Таблица 2.2. Энергия связи дислокаций с атомами примесей дня некоторых сплавов
| Сплав | Си— Zn | А1— Си | Al-Mg | Al— Zn | Al— Ge | Fe—C | Ni— H |
| WмэВ | 0,12 | 0,3 | 0,2—0,27 | 0,08—0,11 | 0,17 | 0,55 | 0,08 |
Концентрацию примесных атомов в дислокационных атмосферах можно рассчитать по следующей формуле:
(2.15)
 |
Здесь С0 — постоянная; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.
Рис. 2.21. Проявление резкого предела текучести при повторном нагружении: 1 — сразу же после разгрузки; 2 — с временной выдержкой после разгрузки
Наличие примесных атмосфер вокруг дислокаций приводит к появлению резкого предела текучести («зуб» текучести). Особенно сильно этот эффект проявляется в мягких сталях. На рис. 2.2 1 дана схема, поясняющая проявление эффекта резкого предела текучести. При первоначальном нагружении (область А) проявляется «зуб» текучести при напряжении sв, называемом верхним пределом текучести. Затем напряжение резко уменьшается до sн — нижнего предела текучести. При этом напряжении развивается течение, которое дает горизонтальный участок площадки текучести, а затем происходит рост напряжения, соответствующий обычному деформационному упрочнению.
Если теперь образец разгрузить (часть кривой В) и нагрузить повторно, то напряжения смогут расти по кривой 1 или кривой 2. Кривая 1 соответствует повторному нагружению сразу же после разгрузки. Деформационная характеристика в этом случае плавная и «зуба» текучести не наблюдается. Но если перед повторным нагружецием дать образцу временную выдержку, то на деформационной характеристике (кривая 2, пунктир) опять появится «зуб» текучести.
Эффект «зуба» текучести объясняется отрывом дислокаций от примесных атмосфер. В результате отрыва резко снижается напряжение от sв до sн, а на поверхности образца появляется линия скольжения Людерса—Чернова. Освободившиеся от примесных атмосфер длинные дислокации скользят без увеличения напряжения, т. е. при напряжении sн во всех параллельных системах скольжения. При этом площадка текучести соответствует распространению полос Людерса—Чернова вдоль поверхности образца, а вслед за площадкой текучести начинается рост напряжений, соответствующий деформационному упрочнению. Если образец разгрузить и сразу же нагружать снова, то примесные атомы не успеют закрепить дислокации и «зуб» текучести не наблюдается. В случае временной выдержки (кривая 2) примеси опять диффундируют к дислокациям, закрепляют их, и теперь уже при повторном нагружении появляется «зуб» текучести.
В сталях резкий предел текучести обусловлен закреплением дислокаций примесными атмосферами углерода и азота. Этот эффект наблюдается во многих сплавах [28].
Появление «зуба» текучести при отрыве дислокаций от примесных атмосфер так же, как и в случае «зуба» текучести НК (см. разд. 4 наст, гл.) связано с приведением в соответствие скорости пластической деформации кристалла со скоростью деформирования, заданной испытательной машиной.
2.8.2 Включения избыточных фаз. Рассмотрим сопротивление движению дислокации в плоскости скольжения, оказываемое включениями. Предположим, что на пути прямолинейного отрезка дислокации АВ, движущегося в плоскости скольжения, имеется ряд равномерно расположенных выделений (рис. 2.22, а).
 |
Если расстояние между ними z достаточно велико, то дислокации под действием приведенного к плоскости скольжения сдвигового напряжения tбудут огибать выделения (рис. 2.22, б). Выгибание дислокации между выделениями продолжается до тех пор, пока не сомкнутся вокруг выделений петли в результате притяжения дислокационных участков противоположного знака и действия напряжений в плоскости скольжения. После этого линия дислокации АВ движется дальше в плоскости скольжения (рис. 2.22,в).
Рис. 2.22. Преодоление дислокационным отрезком АВ ряда равномерно расположенных выделений
Количество петель увеличивается по мере возрастания числа прошедших через выделения дислокаций. В результате создаются скопления петель, вызывающие значительное упрочнение.
Внешнее напряжение, необходимое для «проталкивания» дислокации через выделения, можно подсчитать, если принять расстояние z значительно большим диаметра включения. Рассуждения, аналогичные сделанным при выводе формулы (1.27), дадут следующее значение этого напряжения:
(2.16)
Здесь следует учитывать, что минимальный радиус кривизны принимает значение между z/4 и z/2.
Из этого результата можно сделать вывод, что сопротивление деформации должно возрастать по мере уменьшения расстояния между частицами включений. При больших значениях z> (300 - 400) b дислокации обходят включения, оставляя вокруг них замкнутые петли. Напряжения t, необходимые для этого процесса, невелики, поэтому предел текучести низок. При уменьшении z до значений (100—30 b) напряжение, обеспечивающее прохождение через препятствие дислокаций, возрастает до очень больших значений (G/50 — G/15). Рост напряжения по мере уменьшения z продолжается до тех пор, пока дислокации не станет легче пройти сквозь частицы выделения. И, наконец, когда z порядка нескольких b, т. е. (10-20) • 10-10 м, по сути, мы переходим к твердым растворам. В этом случае зоны больших упругих напряжений находятся так близко, что дислокации проходят через них, оставаясь прямолинейными. Как мы уже видели, упрочнение при этом незначительно [31,32].
Упрочнение за счет выделений в кристалле является устойчивым по отношению к температуре. В самом деле, энергия, необходимая для преодоления дислокацией ряда выделений, составляет 100 эВ (1 эВ = 1,6•1019Дж) на одну частицу выделений диаметром порядка, Ю-8 м, а термическая энергия, равная 
кТ, для комнатной температуры (Т ~ 300 К) — менее 1 эВ. Это означает, что практически для всех металлов даже при предплавильных температурах термической энергии недостаточно для преодоления движущейся дислокацией барьера, представляющего собой ряд выделений. Таким образом, выделения являются эффективным препятствием для движения дислокаций при высоких температурах. Поэтому в жаропрочных сплавах, используемых при высоких температурах, единственным надежным фактором упрочнения являются выделения. Описанный метод упрочнения за счет закрепления дислокаций частицами выделений наиболее из всех описанных ранее эффективен для повышения предела огнестойкости, т.к. он обеспечивает устойчивое повышение жаропрочности.
Таблица 2.3. Характеристики сверхпластичных сплавов
| Сплав | Температу-ра деформации. ° С | Размер зерна. мкм | Максимальная скорость деформации. % /с | Максимальная деформация є. % |
| BI – 43 % Sn | – | |||
| Cd – 26 % Zn | 1 – 2 | – | ||
| Pb – 38 % Sn | 0,1 | |||
| Al – 33 % Cu | 400 – 530 | 1 – 7 | 0,06 | |
| Mg – 6 % Zn – 0,6 % Zr | 270 – 310 | 0,5 | 0,05 | |
| Mg – 33 % Al | 350 – 400 | 0,02 | ||
| Zn – 22 % Al | 0,5 | |||
| Углеродистые стали | 0,001 | |||
| Малолегированные стали | 800 – 900 | 0,001 | ||
| Сплавы Ni – Cr – Fe | 810 – 980 | 1 – 3 | 0,08 | |
| Ti – 6 %, Al – 4 % V | 800 – 1000 | 0,005 | ||
| Cu – 10 %, Al – 4 % Fe | 0,007 |
Из таблицы видно, что сверхпластичные сплавы в зависимости от температуры деформации можно разделить на три группы: 1) легкоплавкие, проявляющие сверхпластичность при комнатной температуре; 2) сплавы с температурой сверхпластичности от 200 до 500 °С; 3) сплавы с температурой сверхпластичности свыше 500 °С [25].
Технологическим осложнением, связанным с обработкой сверхпластичных сплавов, кроме малых скоростей деформации, является необходимость поддержания постоянной температуры деформации. Однако их применение, несомненно, оправдано.
Высокая деформационная способность сверхпластичных материалов обеспечивает лучшую воспроизводимость форм сложных изделий, что позволяет исключить дорогостоящие операции последующей механической обработки. Важным преимуществом метода является снижение усилий деформирования, что облегчает условий работы оборудования, уменьшает износ штампов, позволяет изготавливать изделия больших размеров
Мы уже отмечали, что при сверхпластичности металл не наклепывается. Поэтому детали, изготовленные в условиях сверхпластической деформации, имеют более стабильные и изотропные свойства, не меняют своих размеров, более устойчивы в коррозионных средах [25].
Метод изготовления изделий с использованием явления сверхпластичнооти уже находит практическое применение. Например, внедренный в Англии сплав Zn — 22 % А1 (под названием «престал») использован для изготовления кузова спортивного автомобиля. Это позволило по сравнению с производством аналогичного кузова из стали снизить стоимость изготовления оснастки в 2,5 раза, трудовые затраты на обработку и монтаж в 3—4 раза, хотя стоимость самого материала пока выше. Изготовление формовкой из этого сплава деталей пишущих машин позволило снизить их стоимость на 50 %. Известно изготовление этим методом авиационных и автомобильных панелей, заготовок вафельного типа для теплообменных аппаратов и даже турбинных дисков из жаропрочных сплавов на основе Ni и гильз двигателей.
Сверхпластичность привлекательна для проблемы повышения предела огнестойкости НМК тем, что открывает путь повышения пластичности конструкции или снижения ее хрупкости. Это позволяет даже при достижении критической температуры продолжать конструкции пластически деформироваться и за счет наклепа не разрушиться.
Глава 2
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И ОГНЕСТОЙКОСТЬ
МЕТАЛЛОВ
Сопротивление развитию пластической деформации, которое оказывает несущая металлическая конструкция нагружающему напряжению, определяет ее огнестойкость [20]. При возникновении и усилении пожара, сопровождающегося повышением температуры, это сопротивление, как правило, снижается из-за разнообразных процессов уменьшения запасенной энергии структуры металла. Когда сопротивление развитию пластической деформации и определяемое им критическое напряжение станет меньшим приложенного напряжения, начинается пластическое течение и, в итоге, разрушение несущей конструкции и самого сооружения [23]. С точки зрения прочности именно это вкладывается в понятие предела огнестойкости, который является важнейшей характеристикой пожарной безопасности [21,22].
Сказанного достаточно, чтобы понять насколько важную роль играет пластическая деформация и деформационное упрочнение в формировании предела огнестойкости. Поэтому детальное рассмотрение процессов пластической деформации и деформационного упрочнения позволит понять физическую природу огнестойкости. Особенное внимание уделяется тем физическим механизмам, которые могут привести к повышению предела огнестойкости металлов, а, следовательно, несущей металлической конструкции сооружения.