Растяжное испытание железа и стали: ключевые показатели производительности для структурных применений

Механические свойства железа и сталей часто оценивают через растяжное испытание. Методика хорошо стандартизирована и может проводиться экономически с минимальным оборудованием. Поскольку железо и сталь используются в структурных применениях, они должны иметь растяжные свойства, соответствующие требованиям соответствующих кодов и стандартов. Эти требования — минимальные уровни прочности и пластичности. Из-за этого информация от растяжного испытания часто недоиспользуется. Однако прямое исследование многих металлургических взаимодействий, влияющих на результаты растяжного испытания, может значительно улучшить полезность данных. Исследование этих взаимодействий и корреляция с металлургическими/материальными/прикладными переменными — термической обработкой, чистотой поверхности, средой испытаний, напряженным состоянием, предвидимого термико-механическим воздействием — может привести к значительным улучшениям в эффективности и качестве использования железа и стали в инженерных применениях.

Растяжное испытание железа и стали проводится по многим причинам. Растяжные свойства обычно включаются в материаловую спецификацию для обеспечения качества и часто используются для предсказания поведения материалов при других формах нагрузки, кромеuniaxиального растяжения. Результат обычно используется в выборе материалов для инженерных применений. Обеспечивает относительно легкий и дешевый метод разработки данных механических свойств для отбора, квалификации и использования материалов. Данные обычно устанавливают пригодность материала для конкретного применения и/или базу для сравнения с заменителями.

Эластичное поведение железа и стали

Стальные конструкции обычно проектируются так, чтобы материал при нормальной эксплуатации испытывал эластические нагрузки. Эти нагрузки создают эластичные (обратимые) деформации. Качание высотного стального здания при сильном ветре — пример, где эластичная деформация хорошо видна. Изгиб автомобильного вала и растяжение моста при проезде транспорта — примеры менее заметных эластичных деформаций. Величина деформации зависит от модулей эластичности материала, воспринимающего нагрузку. Хотя модули эластичности обычно не определяют растяжным испытанием, растяжное поведение может показать важность эластичных свойств в отборе и использовании железа и стали.

Модуль Юнга для железа (Fe) (207 ГПа) почти в 2 раза выше меди (Cu) (117 ГПа) и около 3 раз алюминия (Al) (69 ГПа). Из-за более высокого модуля Юнга деталь из Fe деформируется меньше, чем аналогичная из Cu или Al при эквивалентной нагрузке. Пример: при растяжном испытании эластичные растяжные деформации для стержней диаметром 12,8 мм из Fe, Cu, Al, нагруженных до 455 кг: 0,00016 мм/мм для Fe, 0,00029 мм/мм для Cu, 0,0005 мм/мм для Al. Способность стали сопротивляться эластичной деформации — свойство «жесткости», модуль Юнга (E) — одна из мер этого свойства. Инженерное строительство, нуждающееся в очень жестких структурах, должно выполняться из массивных компонентов или материалов с высокими модулями эластичности. Поскольку модуль эластичности Fe выше многих других материалов, железо и сталь часто используются для применений, требующих высокой жесткости.

Уравнение, определяющее модуль Юнга (E), «S = E·e», основано на наблюдении, что растяжная деформация (e) линейно пропорциональна приложенному напряжению (S). Эта линейная связь хорошо объясняет поведение железа и стали при большинстве практических ситуаций. Однако при циклических или вибрационных нагрузках даже небольшие отклонения от истинно линейного эластичного поведения могут стать важными. Мера отклонения от линейной эластичности — анеластический отклик материала.

Анеластичность

Анеластичность — полностью обратимый процесс деформации, зависящий от времени. Временная зависимость обусловлена отсутствием мгновенного движения атомов при приложении нагрузки. Существует много механизмов временно-зависимого процесса деформации, включая диффузионное движение примесных атомов. Это движение может быть просто прыжками атомов в соседние узловые позиции, ставшие благоприятными из-за приложенной нагрузки.

Растяжная нагрузка железа и стали, которые являются Fe-C (углерод) сплавом, производит эластичные деформации в материале, и его кубическое объемно-центрированное (бцк/BCC) структура искажается в тетрагональное объемно-центрированное (бкт/BCТ). Углерод в твердом растворителе производит похожее искажение в решетке Fe. Есть одно основное различие между искажением, вводимым растяжной нагрузкой, и искажениями от растворения углерода. Среднее искажение решетки материала при растяжном испытании анизотропно: каждая элементарная ячейка структуры удлиняется в направлении растяжной нагрузки, и из-за отношения Пуассона материал также сокращается в поперечном направлении. В противовес, среднее искажение решетки от растворения C изотропно, хотя каждый отдельный атом C производит локальное анизотропное искажение.

Атомы углерода в твердом растворителе в Fe находятся в интерстициальных позициях, как показано схематично на Рис. 1. Поскольку растворенные атомы C слишком велики для интерстициальных позиций, атом C в позиции X отталкивает атомы Fe A и B и вызывает удлинение элементарной ячейки в направлении x. Аналогично, атом C в позиции Y отталкивает Fe B и C — удлинение в y, атом C в позиции Z — удлинение в z. В любом данном ненапряженном зерне Fe или α-железа атомы C случайно распределены в позициях X, Y, Z. Таким образом, хотя каждая элементарная ячейка искажена в одном направлении, общее искажение ненапряженного зерна базово изотропно, или равно во всех направлениях.

Приложение растяжного напряжения вызывает специфические благоприятные интерстициальные позиции. Если растяжное напряжение параллельно направлению x, позиции типа X расширяются и становятся благоприятными для атомов C. Тип Y — при напряжении в y, тип Z — в z. При растяжном испытании атомы C мигрируют/диффундируют в позиции, сделанные благоприятными приложенным растяжным нагрузком. Эта миграция зависит от времени и температуры и может быть причиной анеластичной деформации. Внезапное приложение растяжной нагрузки может эластично деформировать решетку материала с такой высокой скоростью, что миграция C в благоприятную позицию не происходит при приложении нагрузки.

Однако, если материал остается под нагрузкой, временнозависимая миграция в благоприятную позицию производит дополнительное напряжение решетки из-за тенденции интерстициального C отталкивать атом Fe в направлении приложенного напряжения. Это дополнительное напряжение — анеластичное напряжение в материале. Так же, если нагрузка внезапно снимается, эластичное напряжение немедленно восстанавливается, тогда как восстановление анеластичного напряжения требует времени, пока интерстициальный атом C перемещается из ранее благоприятной позиции для формирования равномерного распределения в решетке материала. Временная зависимость эластичного и анеластичного напряжений показана схематично на Рис. 1.

Рис. 1 Железная решетка и временная зависимость эластичных и анеластичных деформаций

Комбинация эластичной и анеластичной деформаций заставляет модуль Юнга, определенный при растяжном испытании, зависеть от скорости нагрузки (или скорости деформации) и может производить демпфирование или внутреннее трение в материале под циклическими или вибрационными нагрузками. Анеластичная деформация — одна из причин релаксации напряжений при растяжном испытании, когда пробу нагружают и удерживают при фиксированном перемещении. Эта релаксация часто называют «эластичным послеэффектом» и результатом временнозависимого падения нагрузки, так как нагрузка, необходимая для поддержания фиксированного перемещения, уменьшается по мере перемещения атомов в благоприятные позиции и возникновения анеластичной деформации. Этот эластичный послеэффект демонстрирует важность времени или скорости нагрузки на результаты испытаний.

Общая обратимая деформация, сопровождающая приложение растяжной нагрузки к пробе, — сумма эластичной и анеластичной деформаций. Быстрое приложение нагрузки заставляет анеластичную деформацию стремиться к нулю (время испытания недостаточно для анеластичной деформации), таким образом общая деформация при нагрузке равна истинной эластичной деформации. Очень медленное приложение той же нагрузки позволяет анеластичной деформации сопровождать процесс нагрузки, таким образом общая обратимая деформация в этом испытании превышает обратимую деформацию при быстрой нагрузке. Измеренное значение модуля Юнга при низкой скорости деформации ниже, чем при высокой скорости, следовательно измеренный модуль эластичности зависит от скорости деформации. Низкое значение модуля Юнга называют «релаксированным модулем», а модуль, измеренный при высоких скоростях деформации — «нерелаксированным модулем».

Демпфирующая способность

Растяжные испытания и циклические нагрузки часто проводят при скоростях деформации или нагрузки, находящихся между теми, что нужны для полностью релаксированного поведения, и теми, что требуются для полностью нерелаксированного. Поэтому при нагрузке или разгрузке начальный или коротковременный участок кривой напряжение-деформация производит нерелаксированное поведение, тогда как более поздние, более длительные участки — более релаксированное. Переход от нерелаксированного к релаксированному поведению производит гистерезис нагрузки-разгрузки в кривой напряжение-деформация. Этот гистерезис представляет потерю энергии во время цикла нагрузки-разгрузки. Количество потери энергии пропорционально величине гистерезиса. Такая потеря энергии, приписываемая анеластичному эффекту в материальной решетке, называется «внутренним трением». Внутреннее трение играет ключевую роль в способности железа и стали поглощать вибрационную энергию. Такое поглощение может вызывать повышение температуры материала во время цикла нагрузки-разгрузки. Мера восприимчивости материала к внутреннему трению — демпфирующая способность.

Поскольку анеластичность и внутреннее трение зависят от времени и температуры, демпфирующая способность материала зависит и от температуры, и от скорости деформации. Внутреннее трение и демпфирование играют ключевые роли в отклике материала на вибрации. Железо и сталь, испытанные в условиях, вызывающих значительное внутреннее трение во время цикла нагрузки-разгрузки, испытывают большие потери энергии и говорят, что имеют высокую демпфирующую способность. Эти материалы полезны для поглощения вибраций. Пример — серый чугун с очень высокой демпфирующей способностью, регулярно используемый для оснований приборов и оборудования, которые должны быть изолированы от зонных вибраций. Стойки стана, токарные станки, прессы и т.д. обычно используют чугунные основания для снижения передачи машинных вибраций на пол и окружающую зону. Однако высокая демпфирующая способность не всегда полезное качество материала.

Анеластичность, демпфирование, релаксация напряжений и модули эластичности железа и стали также зависят от микроструктуры материала и условий испытаний. Эти свойства обычно не определяются растяжными методиками. Однако эти свойства, а также параметры машины влияют на форму кривой напряжение-деформация.

Пропорциональный предел

Казавшееся напряжение, необходимое для начала кривизны в растяжной зависимости напряжение-деформация, — пропорциональный предел (ПП). ПП определяется как максимальное напряжение, при котором деформация остается направленно пропорциональной напряжению. Отклонение от пропорциональности может быть приписано анеластичности и/или инициации пластической деформации. Способность обнаружить возникновение этих явлений при растяжном испытании зависит от точности измерения напряжения и деформации. Измеренное значение ПП уменьшается с увеличением точности измерения. Поскольку измеренное значение ПП зависит от точности испытания, ПП обычно не сообщается как растяжное свойство материала. Также значение ПП имеет малое или нулевое применение в отборе, квалификации и использовании материалов для инженерных применений. Гораздо более воспроизводимое и практичное напряжение — предел текучести (ПТ) материала.

Текучесть материалов и начало пластичности

ПТ железа и стали можно определить как напряжение, при котором материал показывает заданное отклонение от пропорциональности между напряжением и деформацией. Очень маленькое отклонение может быть вызвано анеластичным эффектом, но это отклонение от линейного поведения полностью обратимо и не представляет начало значительной пластической (необратимой) деформации или текучести. Теоретическое значение ПТ рассчитывается из уравнения ПТ = E/2π, где E — модуль эластичности, π = 3,14159. Теоретически текучесть не наступает, пока приложенное напряжение не является значительной долей модуля эластичности. Эта оценка для текучести обычно перепрогнозирует измеренную ПТ минимум в 150 раз для железа и стали. Расхождение между теоретической и фактической ПТ обусловлено движением дислокаций. Дислокации — дефекты кристаллической решетки, движение этих дефектов — первичный механизм пластической деформации. Техника, изменяющая ПТ материала, зависит от взаимодействий дефектов для изменения легкости движения дислокаций.

Подвижность дислокаций зависит от легированного состава, степени холодной деформации, размера, формы и распределения включений и частиц второй фазы, и размера зерна материала. Прочность растет с увеличением легированного состава, так как легирующие (или примесные) атомы взаимодействуют с дислокациями и предотвращают последующее движение. Такой тип упрочнения результатом взаимодействия точечного дефекта с линейным.

Холодная деформация — эффективная техника повышения прочности железа и стали. Механизм эффективен, так как количество дислокаций растет с процентом холодной деформации. Эти дополнительные дислокации ограничивают продолжающееся движение других дислокаций. Холодная деформация — пример упрочнения за счет взаимодействия линейных дефектов с другими линейными дефектами в кристаллической решетке. Прокатывание, штамповка, ковка, волочение, прессование и даже экструзия могут использоваться для обеспечения необходимой холодной деформации.

Границы зерен и фаз также блокируют движение дислокаций. Таким образом, ПТ растет с увеличением количества границ зерен и/или процента второй фазы в структуре. Уменьшение размера зерна увеличивает количество границ зерен на единицу объема, увеличивая плотность площадных дефектов в материальной решетке. Поскольку взаимодействия между площадными и линейными дефектами ограничивают подвижность дислокаций, ПТ растет с уменьшением размера зерна и увеличением числа частиц второй фазы.

Железо и сталь показывают широкий диапазон ПТ из-за разных механизмов упрочнения. Диапазон ПТ зависит от размера зерна, процента холодной деформации, распределения частиц второй фазы и других относительно легко измеряемых микроструктурных параметров. Значение микроструктурного параметра зависит от термико-механической истории материала. Поэтому знание важных металлургических переменных почти необходимо для интеллектуальной интерпретации данных ПТ и проектирования и использования структур и компонентов из этих материалов.

Наиболее распространенное определение ПТ — напряжение, необходимое для вызова пластической деформации 0,002 мм/мм. Эта деформация представляет легко измеримое отклонение от пропорциональности, и напряжение, необходимое для производства этого отклонения — 0,2% смещенный ПТ. Значительное движение дислокаций нужно до достижения 0,2% отклонения от линейного поведения. Поэтому при стандартном растяжном испытании 0,2% смещенный ПТ почти не зависит от переменных испытательной машины, эффектов захвата и обратимых нелинейных деформаций, таких как анеластичность. Благодаря этой независимости 0,2% смещенный ПТ — воспроизводимое свойство, используемое в описании механических свойств железа и стали. Все равно важно знать, что величина ПТ, или любого другого растяжного свойства, зависит от дефектной структуры испытуемого материала. Поэтому термико-механическая история материала должна быть известна, если ПТ используется как значимый проектный параметр.

Точка текучести

Начало движения дислокаций в некоторых железах и сталях, преимущественно низкоуглеродистых при комнатной температуре, внезапно, а не относительно постепенно. Это внезапное наступление текучести делает представление текучести методом 0,2% смещения непрактичным. Из-за внезапной текучести кривая напряжение-деформация для мягкой стали имеет точку текучести (ТТ), и ПТ мягкой стали описывается нижним напряжением текучести. ТТ развивается из-за взаимодействий растворенных (растворенных) атомов и дислокаций в растворителе (хозяине) решетке. Взаимодействие растворитель-дислокация в мягких сталях включает миграцию C к дислокациям и взаимодействие с ними. Поскольку взаимодействие вызывает высокую концентрацию растворителя в окрестности дислокаций, говорят, что ТТ развивается из-за сегрегации C к дислокациям.

Многие интерстициальные позиции вокруг дислокаций расширены и поэтому являются низкоэнергетическими или благоприятными позициями для заселения растворительными атомами. Когда эти расширенные позиции заняты, высокая концентрация или атмосфера растворителя ассоциируется с дислокацией. В мягкой стали сегрегация растворителя производит C-богатую атмосферу у дислокации. Движение дислокации ограничено, так как такое движение требует разделения дислокации от C-атмосферы. Как только разделение происходит, напряжение, необходимое для продолжающегося движения дислокаций, снижается, и при растяжном испытании достигаются нижние ПТ. Этот процесс текучести включает движение дислокаций в локализованных областях пробы. Поскольку движение дислокаций — пластическая деформация, области, где дислокации двигались, представляют деформированные области или полосы в материале. Эти локализованные деформированные полосы называются полосами Людерса. После инициации дополнительная деформация заставляет полосы Людерса распространяться по всей измерительной длине пробы.

Это распространение происходит при постоянном напряжении, которое является нижним ПТ стали. Когда весь измерительный участок текуч, кривая напряжение-деформация начинает расти из-за взаимодействия дислокаций с другими дислокациями, и начинается упрочнение при деформации. Существование ТТ и полос Людерса важно из-за влияния внезапного смягчения и локализованной деформации на технологические процессы. Пример: внезапная локализованная текучесть вызывает дерганый поток материала. Дерганый поток нежелателен при волочении, так как нагрузка на волочильное оборудование меняется быстро, вызывая большой выброс энергии, который должен поглощаться обработанным оборудованием. Также локализованные деформации Людерса производят растяжные следы в материалах при штамповке. Эти следы называются «страйкер стрейн» (stretcher strains) и хорошо видны на штампованных поверхностях. Это ухудшает внешний вид поверхности и снижает полезность детали. Если штамповать материал без ТТ, развивается гладкая поверхность, так как процесс упрочнения при деформации распределяет деформацию равномерно по материалу.

Влияние размера зерна на текучесть

Железо и сталь, используемые в структурных применениях, поликристалличны. Обычно содержат много микроскопических кристаллов или зерен. Размер зерен трудно точно определить, так как трехмерная форма зерна сложна. Если считать зерно сферическим, диаметр зерна (d) можно использовать для указания размера. Для более точного указания размера зерна обычно включают среднюю перехватывающую длину зерна (I) и отношение (Sv) площади границы зерна к объему зерна. Эти параметры устанавливаются через количественные металлографические техники.

Однако по историческим причинам параметр d — наиболее распространенная мера для описания влияния размера зерна на ПТ железа и стали. Это влияние часто kvantифицируется через соотношение Холла-Петча, где ПТ связана с размером зерна через эмпирическое уравнение.

Границы зерен действуют как барьеры для движения дислокаций, вызывая накопление дислокаций за границами. Это накопление концентрирует напряжения на вершине накопления, и когда напряжение достаточно, дополнительные дислокации могут нуклеироваться в соседнем зерне. Величина напряжения на вершине накопления дислокаций зависит от числа дислокаций в накоплении. Число дислокаций в накоплении растет с увеличением размера зерна из-за большего объема зерна. Эта разница в числе дислокаций делает нуклеацию новых дислокаций легче в крупнозернистом материале, чем в мелкозернистом сопоставимой чистоты, и эта разница в легкости нуклеации дислокаций экстраполируется прямо в разницу в ПТ.

Эффект холодной деформации и упрочнения при деформации

Пластическая деформация железа и стали при температуре выше температуры рекристаллизации — горячая деформация, при температуре ниже — холодная деформация. Эти материалы при растяжном испытании выше температуры рекристаллизации не показывают значительного упрочнения при деформации, и растяжной ПТ становится максимальным напряжением, которое материал может эффективно поддерживать. Кривая напряжение-деформация показывает, что напряжение, необходимое для продолжения пластической деформации, растет с ростом растяжной деформации.

Напряжение, необходимое для продолжения деформации, часто обозначается как напряжение текучести при конкретной растяжной деформации. Растущее напряжение текучести с растущей деформацией — основа повышения прочности материалов холодной деформацией. Эффект размера зерна на прочность материала сохраняется на протяжении процесса холодной деформации. Факт того, что зависимость прочности от размера зерна сохраняется на протяжении процесса упрочнения при деформации, устанавливает возможность взаимодействия между различными механизмами упрочнения в этих материалах. Пример: холодная деформация вызывает рост прочности через взаимодействие точечного дефекта и дислокации, и эти эффекты аддитивны к эффектам легирования.

Также прочность не единственное растяжное свойство, затронутое холодной деформацией. Пластичность снижается с увеличением холодной деформации, и если холодная деформация слишком обширна, стальной стержень может треснуть и разрушиться во время холодной деформации. Общий эффект холодной деформации на прочность и пластичность: рост прочности и снижение пластичности вызывают уменьшение площади под кривой напряжение-деформация. Это важно, так как площадь представляет работу или энергию, необходимую для разрушения стального стержня, и результаты растяжного испытания показывают, что эта энергия уменьшается с увеличением процента холодной деформации.

Холодная деформация, будь то прокатывание, волочение, штамповка или ковка, меняет микроструктуру. Полученная форма зерна определяется направлением потока металла при обработке. Зерна в холоднопрокатной пробе удлинены и сплющены, меняясь от полусферических к блиновидным. Процесс волочения стержня производит игольчатые зерна. Помимо изменений формы зерна, внутренность зерна искажается операциями холодной деформации. Полосы высокой плотности дислокаций (полосы деформации) развиваются, границы двойников изгибаются, границы зерен становятся шершавыми и искаженными. Поскольку деформационно-индуцированные изменения микроструктуры анизотропны, растяжные свойства кованых стальных материалов часто анизотропны. Упрочненные при деформации микроструктуры и сопровождающие механические свойства от холодной деформации могут быть значительно изменены отжигом. Микроструктурные изменения, вводимые нагревом до более высоких температур, зависят и от времени, и от температуры отжига. Эта температурная зависимость результатом того, что движение атомов нужно для эффективности отжига.

Предел прочности

Способность к упрочнению при деформации — одна из нормальных характеристик механического поведения, отличающих железо и сталь от других инженерных материалов. Не все металлические материалы показывают эту характеристику. Пример: хром (Cr) очень ломок и разрушается при растяжном испытании без признаков упрочнения при деформации. Кривые напряжение-деформация для ломких материалов похожи на керамические. Разрушение происходит до значительной пластической деформации. Такие ломкие материалы не имеют реального ПТ, и напряжение разрушения — максимальное напряжение, которое материал может поддерживать. Однако железо и сталь проходят пластическую деформацию до разрушения, и максимальное напряжение, которое материал может поддерживать, заметно выше ПТ. Это максимальное напряжение (на основе исходных размеров) — предел прочности (ПП) или предел прочности на растяжение (ТS) материала.

Запас между ПТ и ПП обеспечивает операционный коэффициент безопасности для железа и стали в структурах. Помимо этого запаса безопасности, фактическое значение ПП имеет очень мало практического применения. Способность конструкции выдерживать сложные служебные нагрузки мало связано с ПП, и структурное проектирование должно базироваться на текучести. ПП легко измеряется и часто сообщается, так как это максимальное напряжение на кривой напряжение-деформация. Инженерные коды иногда требуют, чтобы материал соответствовал определенным требованиям ПП.

Исторически ПП с опытными снижениями для избежания текучести использовался в расчетах проектирования. По мере улучшения точности измерения кривых напряжение-деформация использование ПП сократилось, и к 1940-м годам несколько проектных кодов базировались на текучести. Существует большая эмпирическая база, коррелирующая ПП с твердостью, пределом выносливости (ФС), напряжением при разрыве на крепе и механическими свойствами. Эти корреляции, исторические требования кодов и факт, что структурные проекты с ломкими материалами должны базироваться на ПП, дают техническую основу для продолжения использования ПП как проектного критерия.

Холодная деформация и другие механизмы упрочнения железа и стали не увеличивают ПП так быстро, как увеличивают ПТ. Следовательно, процессы упрочнения часто сопровождаются снижением способности к пластической деформации. Это снижение уменьшает способность материала поглощать энергию до разрушения и во многих случаях важно для успешного использования этих материалов. Анализ растяжного поведения может дать понимание способностей материала к поглощению энергии.

Вязкость (Toughness)

Способность поглощать энергию без разрушения обусловлена вязкостью материала. В большинстве случаев разрушения железа и стали инициируются на предсуществующих дефектах. Дефекты могут быть достаточно малыми, чтобы быть элементами микроструктуры, или, когда немного больше, макротрещинами в материале, или в крайнем случае — визуально наблюдаемыми разрывами в структуре. Вязкий стальной материал сопротивляется распространению дефектов через процессы текучести и пластической деформации. Максимум этой деформации происходит у вершины дефекта. Поскольку разрушение включает и растяжное напряжение, и пластическую деформацию (деформацию), кривую напряжение-деформацию можно использовать для оценки вязкости материала. Однако существуют специальные испытания для измерения вязкости. Большинство проводятся с предтрещиненными пробы и включают ударные и механику разрушения. Расчеты вязкости на основе растяжного поведения — оценки, не для проектирования.

Площадь под кривой напряжение-деформация — мера энергии, поглощенной материалом при растяжном испытании. Эта площадь — грубая оценка вязкости. Поскольку пластическая деформация, ассоциированная с растяжной деформацией железа и стали, обычно на несколько порядков больше сопровождающей эластичной деформации, пластичность или движение дислокаций очень важны для развития вязкости. Это демонстрируется кривыми напряжение-деформация для ломкого, полуломкого и вязкого материала. Ломкое разрушение происходит с малой или нулевой пластической деформацией, и площадь (A) под кривой = 0,5·S·e. Оценка энергии разрушения из типичных растяжных свойств пробы мягкой стали с ПТ 205 МПа, ПП 415 МПа, деформацией до разрушения 0,3 дает 1,12 Дж/мм³ измерительного сечения пробы.

Отношение энергии для вязкого разрушения к энергии для ломкого — 900. Отношение растет с увеличением деформации до разрушения и с увеличением упрочнения при деформации. Связь площадь-энергия только приблизительная. Польза таких оценок вязкости — легкость испытания и понимание важности пластичности для предотвращения разрушения. Далее, пластическая деформация всего 0,01% может иметь замечательный эффект на способность материала поглощать энергию без разрушения.

Вязкость — очень важное свойство для многих структурных применений. Стрелки кранов, корпуса кораблей, валы, шестерни, муфты — все должны поглощать энергию в эксплуатации. Способность выдерживать сейсмические нагрузки, перегрузки системы и даже незначительные аварии тоже нуждаются в вязкости материала. Повышение прочности железа и стали обычно снижает пластичность и во многих случаях снижает вязкость. Таким образом, повышение прочности может увеличить вероятность служебного отказа при важности вязкости для удовлетворительной службы.

Это видно сравнением площадей под двумя кривыми напряжение-деформация на Рис. 2. Перекрестно-штрихованные площади на Рис. 2 показывают другое растяжное свойство — модуль упругости. Модуль упругости можно измерить из растяжных кривых напряжение-деформация. Способность железа и стали поглощать энергию через эластичные процессы — упругость материала. Модуль упругости определяется как площадь под эластичной частью кривой напряжение-деформация. Повышение ПТ и/или снижение модуля Юнга увеличивают модуль упругости и улучшают способность материалов поглощать энергию без постоянной деформации.

Рис. 2 Сравнение кривых напряжение-деформация для высоко- и низко-вязких сталей

Пластичность материала

Пластичность материала при растяжном испытании обычно устанавливается измерением либо удлинения до разрушения, либо относительного сужения (РС) при разрушении. В общем, измерение пластичности интересно тремя способами: (i) указать степень, до которой сталь может быть деформирована без разрушения в металлообработке (прокатывание, формовка, экструзия), (ii) указать конструктору общим образом способность стали течь пластически до разрушения, (iii) служить индикатором изменений уровня примесей или условий обработки. Измерение пластичности должно быть специфицировано для оценки качества материала, хотя прямой связи между измерением пластичности и производительностью нет.

Растяжная пластичность — очень полезная мера при оценке качества материала. Многие коды и стандарты специфицируют минимальные значения растяжной пластичности. Одна причина — обеспечение адекватной вязкости без необходимости более дорогой спецификации вязкости. Большинство изменений состава материала и/или условий обработки производят изменения растяжной пластичности. Кроме того, металлообрабатывающие особенности железа и стали лучше коррелируют со способностью к упрочнению при деформации, чем с пластичностью материала. Способности к упрочнению при деформации многих железа и стали для инженерной службы квантифицированы через анализ истинного напряжение-истинной деформации.

Истинное отношение напряжение-деформация

Преобразование инженерного поведения напряжение-деформация в истинное отношение показывает, что максимум в инженерной кривой результатом растяжной нестабильности, а не снижением прочности материала. Падение инженерной кривой искусственно и происходит только потому, что расчет напряжения основан на исходной площади поперечного сечения. И испытания, и анализ показывают, что для большинства железа и стали растяжная нестабильность соответствует началу стрежения в пробы. Стрежение результатом локализации деформации. Следовательно, после инициации стрежения истинная деформация не может быть рассчитана из удлинения пробы. Из-за этих и других аналитических ограничений инженерных данных напряжение-деформация, если растяжные данные используются для понимания и предсказания металлургического отклика при деформации, ассоциированной с технологическими процессами, то истинное отношение напряжение-деформация предпочтительнее.

Деформация, которую можно применить без разрушения в глубокой вытяжке, варьируется с материалом. Пример: аустенитная нержавеющая сталь может быть успешно вытянута до 50% РС, тогда как ферритная сталь может разрушиться после ~20–30% РС в похожих операциях вытяжки. Оба типа стали проходят более 50% РС при растяжном испытании. Эта разница в вытяживаемости коррелирует с экспонентой упрочнения при деформации (n) и поэтому видна из наклона истинных кривых напряжение-деформация для двух сталей.

Значения n для ферритных и аустенитных сталей обычно 0,25 и 0,5 соответственно. Идеально пластичный материал имеет n=0, идеально эластичный твердое тело — n=1. Большинство железа и стали имеют n между 0,1 и 0,5. Экспоненты упрочнения при деформации коррелируют со способностью дислокаций двигаться вокруг или через дислокации и другие препятствия в их пути. Такое движение называется «перекрестным скольжением» (cross slip). Когда перекрестное скольжение легко, дислокации не накапливаются за другими и n низок. Мягкая сталь — пример легкого перекрестного скольжения. n растет, когда перекрестное скольжение становится труднее. Перекрестное скольжение очень трудно в аустенитной нержавеющей стали, n ~0,5.

Растяжные пробы, листы, пластины, проволоки, стержни и другие металлические сечения имеют точечные вариации в размере сечения, ПТ и других микроструктурных и структурных неоднородностях. Пластическая деформация инициализируется в локально слабых областях. В отсутствии упрочнения при деформации начальная пластическая деформация уменьшает чистый размер сечения и фокусирует продолжающуюся деформацию в слабых областях. Однако упрочнение при деформации вызывает рост напряжения текучести в деформированной области. Этот рост повышает нагрузку, необходимую для продолжения пластической деформации в области, и заставляет деформацию распространяться по сечению. Чем выше n, тем больше рост низкого напряжения и тем больше тенденция пластической деформации стать равномерной. Эта тенденция имеет большое влияние на технологичность железа и стали.

Пример: максимальное РС, которое можно применить в вытяжной операции, равно значению n, определенному из истинного поведения напряжение-деформация материала. Благодаря такой корреляции эффект процессных переменных (скорость деформации, температура) можно оценить через растяжное испытание. Это дает основу для оценки эффекта процессных переменных без прямой, внутрипроцессной оценки переменных.

Эффекты температуры и скорости деформации

ПТ большинства железа и стали растет с увеличением скорости деформации и снижается с повышением температуры. Эта зависимость результатом комбинации нескольких металлургических факторов. Пример: дислокации — смещения, поэтому не могут двигаться быстрее скорости звука. Также по мере приближения скоростей дислокаций к скорости звука перекрестное скольжение становится все труднее и n растет. Рост n повышает напряжение текучести при любой заданной деформации, таким образом повышая ПТ материала. Снижение пластичности и даже переход от вязкого к ломкому разрушению также могут ассоциироваться с ростом ПТ, индуцированным скоростью деформации.

Во многих отношениях снижение температуры похоже на увеличение скорости деформации. Подвижность дислокаций снижается при снижении температуры, и поэтому для большинства железа и стали прочность растет, а пластичность снижается при понижении температур. Если снижение подвижности дислокаций адекватно, пластичность может снизиться до ломкого разрушения. Железо и сталь, показывающие переход от вязкого к ломкому разрушению при снижении температуры, не должны использоваться для структурных применений при температуре ниже этой переходной температуры.

Движение дислокаций inhibируется взаимодействием между дислокациями и легирующими или примесными (чужеродными) атомами. Эффект этого взаимодействия зависит и от времени, и от температуры. Взаимодействие действует на повышение ПТ и ограничение пластичности. Процесс наиболее эффективен, когда есть достаточно времени для сегрегации чужеродного атома к дислокации и когда скорость дислокации почти равна скорости диффузии чужеродного атома. Следовательно, при любой заданной температуре взаимодействие дислокация-чужеродный атом максимально при некоторой промежуточной скорости деформации. При низкой скорости деформации чужеродный атом может диффундировать так же быстро, как движется дислокация, и мало или нет тенденции для процесса деформации принудительно разделять дислокацию от её растворительной атмосферы. При высоких скоростях деформации, как только разделение достигнуто, нет адекватного времени для восстановления атмосферы в период испытания. Движение атомов растет с повышением температуры, поэтому скорость деформации, позволяющая взаимодействию дислокация-чужеродный атом, зависит от температуры. Поскольку это взаимодействие ограничивает пластичность, удлинение при растяжном испытании может показывать минимум при промежуточной температуре испытания, где такое взаимодействие очень эффективно.

Эффект временнозависимого взаимодействия дислокация-чужеродный атом на кривую напряжение-деформация железа и стали называется «старением при деформации» (strain aging) и «динамическим старением при деформации» (dynamic strain aging). Старение при деформации обычно видно при растяжном испытании материала, показывающего острую ТТ, прерывается. Если пробу разгружают после деформации за ТТ, через область деформации Людерса и в область упрочнения при деформации кривой напряжение-деформация, при возобновлении растяжного испытания наблюдается одно из двух поведений.

Если пробу перезагружают в короткий период, эластичный участок кривой перезагрузки параллелен исходной эластичной кривой загрузки и пластическая деформация возобновляется на уровне напряжения, достигнутого непосредственно перед прерыванием. Однако, если время между разгрузкой и перезагрузкой достаточно для сегрегации чужеродного атома к дислокации, ТТ репоявляется и пластическая деформация не реинициализируется при достижении уровня разгрузочного напряжения. Эта репоявление ТТ — старение при деформации, и сила пика старения зависит и от времени, и от температуры, так как диффузия и сегрегация растворительного атома к дислокации нужны для развития пика. Если растяжная скорость деформации в диапазоне, где сегрегация растворителя может происходить во время испытания, наблюдается динамическое старение при деформации. Сегрегация зажимает ранее подвижную дислокацию и повышает напряжение текучести, и когда достигается новый, более высокий уровень напряжения текучести, дислокация отделяется от растворительной атмосферы и напряжение текучести снижается. Это чередующееся повышение и снижение напряжения текучести заставляет кривую напряжение-деформацию быть зубчатой.

Зубчатое течение обычно в мягкой стали, так как она содержит подвижные легирующие или примесные элементы. Эффект изучался в деталях Портевином и Лешатье и часто называется эффектом Портевина-Лешатье. Условия обработки должны выбираться для избежания эффекта старения при деформации. Этот выбор по сути включает контроль скорости деформации и температуры обработки.

Специальные методы испытаний

Растяжное испытание дает базовую информацию об отклике железа и стали на механическую нагрузку. Температура испытания и скорость деформации (или скорость нагрузки) обычно контролируются из-за эффектов этих переменных на металлургический отклик пробы. Растяжное испытание обычно измеряет прочность и пластичность. Эти параметры часто чувствительны к конфигурации пробы, среде испытаний и способу проведения испытания. Специальные растяжные методы разработаны для измерения эффекта условий пробы/испытания на прочность и пластичность железа и стали. Эти методы включают растяжное испытание с концентратором напряжений (notch tensile test) и растяжное испытание с медленной скоростью деформации (slow-strain-rate tensile test).

Растяжное испытание с концентратором напряжений (Notch tensile testing)

Железо и сталь в инженерных применениях часто должны выдерживать многоканальные нагрузки и высокие концентрации напряжений из-за конфигурации компонента. Стандартное растяжное испытание измеряет производительность материала в гладкой пробы под унияксиальной нагрузкой. Эта разница между применением и пробой может снизить способность стандартного растяжного испытания предсказывать отклик материала при предвидимых условиях применения. Также снижение пластичности, обычно индуцируемое многоканальными нагрузками и концентрацией напряжений, может быть невидимым в результатах испытания. Растяжное испытание с концентратором разработано для минимизации этой слабости стандартного растяжного испытания и исследования поведения материала в присутствии дефектов, замочек и концентраций напряжений.

Проба с замочкой обычно содержит 60° замочку с радиусом корня менее 0,025 мм. Напряженное состояние непосредственно под вершиной замочки приближается к трехосевому растяжению, и для вязких сталей это состояние обычно повышает ПТ и снижает пластичность. Повышение ПТ результатом эффекта напряженного состояния на динамику дислокаций. Сдвиговое напряжение нужно для движения дислокаций. Чистое трехосевое нагружение не производит сдвигового напряжения. Следовательно, движение дислокаций на вершине замочки ограничено, и значение ПТ повышается. Это ограничение в движении дислокаций также снижает пластичность пробы с замочкой. Для низкопластичных сталей замочкой-индуцированное снижение пластичности может быть настолько серьезным, что разрушение происходит до достижения 0,2% смещенного ПТ.

Чувствительность железа и стали к эффекту замочки называется «замочево чувствительностью» (notch sensitivity). Эта чувствительность квантифицируется через отношение замочевой прочности к ПП гладкой пробы. Материал, замочево чувствительный, имеет отношение <1. Данные гладкой пробы для этих материалов не удовлетворительно предсказывают поведение материала в служебных условиях. Вязкий вязкий материал часто замочево-упрочняется и имеет отношение замочевой чувствительности >1, таким образом стандартное растяжное испытание является консервативным предсказателем производительности для этого материала.

Испытание с медленной скоростью деформации (Slow strain rate testing)

Среда испытаний также может иметь неблагоприятные эффекты на растяжное поведение железа и стали. Характеризация эффекта среды на отклик материала может быть выполнена проведение растяжного испытания в среде интереса. Поскольку тяжесть воздействия среды обычно растет с увеличением времени, растяжное испытание, предназначенное для определения эффектов среды, часто проводят при очень низкой скорости деформации. Низкая скорость деформации увеличивает время испытания и максимизирует воздействие среды испытаний. Этот тип испытаний называют либо «испытанием с медленной скоростью деформации» (SSRT), либо «испытанием с постоянной скоростью удлинения» (CERT). Воздействие агрессивной среды может снизить прочность и/или пластичность пробы. Это снижение может сопровождаться началом поверхностного трещинообразования и/или изменением режима разрушения. Изучение SSRT или CERT, показывающее вредные эффекты на растяжное поведение, устанавливает, что испытуемый материал восприимчив к экологической деградации.

Эта восприимчивость может вызывать опасения по использованию материала в той среде. Наоборот, испытание может показать, что растяжное поведение материала не влияет на среду и поэтому подходит для применения в ней. SSRT или CERT можно использовать для отсева материалов на потенциальные служебные воздействия и/или изучения эффектов предвидимых операционных изменений на материалы, используемые в процессных системах. В любом случае цель — избежать использования материалов в условиях, которые могут деградировать прочность и пластичность и вызывать преждевременный отказ. Помимо растяжных данных, доказательства неблагоприятного экологического эффекта можно найти через исследование морфологии разрушения проб CERT и SSRT.

Характеристики разрушения

Растяжное разрушение вязких железа и стали обычно инициализируется внутри шеечной части растяжного стержня. Частицы, такие как включения, дисперсная вторая фаза и/или выделения, могут служить нуклеационными позициями. Процесс разрушения начинается развитием малой дырочки или микропустоты на границе частица-матрица. Продолжающаяся деформация увеличивает микропустоту до точки, когда в процессе испытания микропустота контактирует с другими микропустотами и коалесцирует. Этот процесс называется «коалесценцией микропустот» и дает рисованную топографию поверхности разрушения, характерную для вязких процессов разрушения.

Топография поверхности ломкого разрушения существенно отличается от коалесценции микропустот. Ломкое разрушение обычно инициализируется на несовершенствах внешней поверхности материала и распространяется либо транскристаллическим расщеплением, либо разделением вдоль границы зерна. Полученная топография — либо фасетообразная, возможно с речной структурой, типичной для расщепления, либо интеркристаллическая, дающая «конфетно-конфетный» вид. Испытуемый материал может быть изначально ломким или ломкость может быть введена термической обработкой, снижением температуры испытаний, присутствием агрессивной среды и/или наличием острого замочка на пробе.

Температура, скорость деформации, среда испытаний и другие условия, включая чистоту поверхности пробы для растяжного испытания, обычно хорошо установлены. Понимание эффектов таких параметров на характеристики разрушения пробы может быть очень полезным в определении восприимчивости железа и стали к деградации при фабрикации или применении. Обычно любая термическая обработка или условие испытания, вызывающее смену процесса разрушения от коалесценции микропустот к более ломкому режиму, снижает пластичность и вязкость материала и может способствовать раннему разрушению при выбранных служебных условиях. Поскольку процесс разрушения очень чувствителен и к металлургическому состоянию пробы, и к условиям растяжного испытания, характеристика поверхности разрушения — важный компонент многих программ растяжных испытаний.