Явления повышенной пластичности при нагреве и растяжении

Исследования структуры и прочности ряда чистых металлов (железа, титана и циркония), а также технического железа при растяжении и стали 30ХГСА при растяжении и сжатии в изотермическом режиме (при колебаниях температуры в пределах ±10 °С) и в условиях циклически изменяющихся в заданном диапазоне температур в вакууме позволили установить самопроизвольное резкое снижение прочности («сверхвысокую пластичность»), развивающееся в узком интервале температур. Для объяснения такого «аномального» поведения материалов предложена гипотеза о концентрации (адсорбции) возле границ зерен примесей, что приводит к снижению температуры полиморфных превращений в этих объемах.

Указанные выше изыскания важны не только для развития теории металловедения, но и для практики, так как прочность материалов, определенная при «идеализированных» изотермических режимах испытания, когда температура искусственно поддерживается неизменной с высокой точностью, может резко снижаться при неизбежно возникающих колебаниях температуры в условиях эксплуатации. Такие изменения температуры наблюдаются, например, во всех случаях пуска и прекращения работы машин и механизмов, отдельные детали которых во время службы находятся в нагретом состоянии, а также при кратковременных колебаниях режима теплового нагружения, вызываемого флуктуациями передачи тепла или его генерирования. При пренебрежении учетом возможности резкого снижения прочности материалов, в частности, под влиянием адсорбционных явлений, вызывающих концентрацию примесей границами зерен, могут происходить аварии из-за поломок деталей. Адсорбционные явления способствуют обогащению приграничных зон примесями и существенно изменяют их химический состав, в результате чего в этих локальных участках протекают полиморфные превращения, которые, если судить по интегральному химическому составу материалов и их диаграмме состояния, при данной температуре не должны возникать. Сообщаемые ниже сведения позволяют объяснить многие случаи «загадочных» аварий.

А. Совер проводил исследования сталей в интервале температур превращения. Образец в виде стержня технического железа (0,03% С) нагревался в трубчатой печи и имел длину, большую, чем зона равномерного нагрева печи. Образец подвергался действию скручивающих напряжений. Температура имела максимальное значение в средней части образца и постепенно снижалась по направлению к его концам. При нагреве прутков до температур, лежащих в пределах от 723 до 880°, скручивание, а затем разрушение происходило в средней части образцов, в то время как нагрев средней части образцов до температур выше указанного интервала приводил к скручиванию и разрушению не в самой горячей зоне, а на некотором расстоянии от центра. При этом было установлено, что температура в участке максимальной деформации соответствовала температуре превращения.

Резкое снижение прочности железа, стали и других материалов в интервале температур полиморфных превращений установлено многими исследователями и изложено, например, в работах и др. Например, при у-а-превращении в железоникелевом сплаве с 30% (вес.) Fe предел текучести становится меньше 2 кг/мм2, тогда как для каждой из фаз при температуре, близкой к температуре превращения, он в несколько раз выше.