книги / Строение и свойства металлических сплавов

Возможность полигонизации существенно зависит от чистоты металла, что может быть связано с влиянием примесей на ско­ рость движения дислокаций, энергию дефектов упаковки и ско­ рость перемещения границ зерёщ Рентгенографически показано сильное понижение температуры начала полигонизации железа по мере увеличения его чистоты [146] (табл. 19).

Последующий нагрев полигонизованной структуры к рекри­ сталлизации не приводит; смещения границ субзерен невелики.

В хорошо очищенном металле полигонизация наблюдается даже после значительной пластической деформации. В железе технической чистоты (армко) наблюдалась рекристаллизация по­ сле слабой деформации (3%). Однако если армко-железо пред­ варительно подвергнуть длительному отжигу в водороде, то на­ грев его после деформации приводил к таким же изменениям структуры, как и в железе, очищенном зонной плавкой: после деформации вплоть до разрушения (~25%) наблюдались суб­ зерна.

Аналогично для алюминия отмечалось понижение температу­ ры полигонизации по мере увеличения чистоты (Тайдема) (табл. 20).

При протягивании алюминия технической чистоты, деформи­ рованного растяжением на 2%. через печь с градиентом темпе­ ратуры можно было получить монокристаллы. Из очень чистого алюминия таким способом получить монокристаллы не удава­ лось, так как процесс заканчивался полигонизацией и металл оставался мелкозернистым. Полигонизацию алюминия можно было наблюдать после закалки с 620° С в воду (при этом воз­

191

Отмечалось также некоторое понижение порога хладнолом­ кости в результате полигонизации, что связывалось с замедле­ нием распространения трещины границами субзерен. Создание в молибдене полигонизованной структуры значительно удлиняет стадию установившейся ползучести. Это указывает на замедле­ ние процессов разупрочнения при наличии такой структуры.

Таким образом, в большом числе металлов и сплавов, в том числе с о. ц. к. решеткой, наблюдается развитие полигонизован­ ной структуры.

Полигонизация при полиморфном превращении

Значительный интерес представляет возможность создания полигонизованной структуры в результате полиморфного пре­ вращения. Напряжения и деформации, возникающие при фазо­ вом превращении в условиях повышенных температур, способ­ ствуют образованию равновесной дислокационной структуры, что, по-видимому, и наблюдалось в железе [55], а также в титане и его сплавах [156]. В последнем случае дислокации сосредото­ чиваются, как показали рентгеноструктурные и электронноми­ кроскопические исследования, па границах пластинок а-фазы. Эффект полигонизации, очевидно, должен зависеть от скорости охлаждения. Оптимальной представляется некоторая средняя скорость: с увеличением скорости охлаждения возрастают на­ пряжения и плотность дислокаций, однако ухудшаются условия для диффузионного подвода вакансий, необходимого для пере­ ползания. В то же время при очень медленном охлаждении обес­ печиваются условия диффузии, но плотность дислокаций недо­ статочна. Указанная закономерность подтверждена эксперимен­ тально при исследовании титанового сплава (Мирский, Рыба­ кова).

На рис. 74, а показана полигонизованная структура в техни­

стема субграниц и большое число ямок травления внутри а-пла-

Электронномикроскопическое исследование на угольных репли­ ках позволило четко обнаружить, что субграницы представляют собой цепочку ямок травления (рис. 74, б). При исследовании тонких фольг на просвет обнаруживается, что субграницы со­

ляется во много раз слабее, чем в техническом титане.

195

нице субзерен и величина упругой энергии мала. В определен­ ных условиях состояние после полигонизации является альтерна­ тивой состоянию после рекристаллизации.

В алюминиевых сплавах (типа авиаль) при горячем прессо­ вании возникает весьма устойчивая полигональная структура. Несмотря на значительную деформацию и сильно выраженную текстуру, рекристаллизация не происходит даже при нагреве на 100—150° С выше обычных температур рекристаллизации для этих сплавов (так называемый пресс-эффект) [147, 1621.

В работе [146] отмечалось, что в монокристалле цинка отдель­ ные субграницы, образованные вертикальными стенками, сохра­ нялись при нагреве до температур, близких к температурам плавления. В поликристаллическом никеле субграницы сохраня­ лись до 800° С, т. е. значительно выше температуры рекристал­ лизации.

Устойчивость полигональных образований дополнительно возрастает благодаря взаимодействию границ субзерен с при­ месными атомами и дисперсными частицами. Винтовая дислока­ ция в железе может связать 7% (ат.) С [163]. Краевая дислока­ ция связывает в два раза меньшее количество углерода, посколь­ ку в первом случае сегрегация возможна вокруг всего дефекта, а во втором — только по одну сторону от плоскости скольжения. Энергия взаимодействия (изменение упругой энергии при пере­ ходе атома углерода из середины кристалла в ядро дислокации) в обоих случаях одинакова. Когда атомы углерода полностью связаны, энергия уменьшается на 20% для винтовых дислокаций и на 10% для краевых при Т = 0° К. С повышением температу­ ры выигрыш в энергии становится меньше, а тепловая энергия — больше энергии взаимодействия примесных атомов с дислока­ циями.

Связь между дислокациями и примесными атомами можно оценить методом внутреннего трения. В ряде работ (Саррак, Су­ ворова, Энтин [164]) исследовалось взаимодействие между дисло­ кациями и примесными атомами внедрения в железе. Показана зависимость взаимодействия от состава сплава. Отмечено [165], что увеличения содержания углерода в железе от 10-7 до 10_4% (по массе) достаточно для блокирования дислокаций. В сильно деформированном железе (р = 1012 см~2) для этой цели потре­ буется 6-10_2% (ат.) С. Равновесная концентрация углерода в твердом растворе железа при комнатной температуре значитель­ но меньше 7 10~7 % (ат.), но скорость достижения равновесия при этой температуре очень мала.

Согласно Коттреллу, скорость сегрегации на дислокациях определяется выражением

где По — число растворенных атомов на единицу объема зерна;

198

tit — число атомов, диффундирующих к единице длины дис­ локационной линии за время t\

А = 1,5 мн/л12/(1,5 • 10-2 дин!см2) ; D — коэффициент диффузии.

Уравнение справедливо для начальных стадий сегрегации. Оценка для насыщения половины дислокаций дает величину t = 105 лет при комнатной температуре и 40 сек при 200° С.

Распространенный метод выявления полигонизованной струк­ туры по ямкам травления основан на обогащении границ субзе­ рен примесями или высокодисперсными частицами и увеличени­ ем при этом травимости.

Когда металл подвергается воздействию высоких температур, создать устойчивые дислокационные образования трудно из-за развития термически активируемых процессов. В работах [166, 59] было показано, что после высокотемпературной термомеха­ нической обработки (ВТМО) скорость диффузии при 800° С в никелевом (ХН77ТЮР) и железном (ЭИ481) жаропрочных спла­ вах возрастает; в титановых сплавах скорость диффузии умень­ шается при относительно низких и возрастает при более высоких температурах (250° С). Был сделан вывод о целесообразности использования ВТМО для жаропрочных сплавов, работающих при относительно невысоких температурах.

Вместе с тем в работе Суркова и Садовского [167] показано, что при ВТМО такого же никелевого сплава (марка ХН77ТЮР) в случае малых скоростей деформирования (осадкой на 20— 30%) возникает термически стабильная полигональная структу­ ра и сопротивление ползучести сплава больше при достаточно высокой температуре по сравнению с обычной обработкой. В ра­ ботах [168; 6] была показана возможность получения стабильной полигональной структуры в результате относительно небольшой деформации (1—10%) и последующего нагрева ниже темпера­ туры рекристаллизации (механико-термическая обработка). При этом возрастает сопротивление ползучести, длительная и цикли­ ческая прочность. Создание полигональной структуры в молиб­ дене приводит к значительному повышению температуры рекри­ сталлизации (на 200—300° С) и к улучшению механических свойств [169].

В работе [170] был использован метод механико-термической обработки (МТО) с целью создания в сплавах на основе никеля (ХН77ТЮР) полигональной структуры, а для увеличения ста­ бильности ее сплав после образования субструктуры подвергали старению для выделения фазы у' на полигональных стенках. Обработка проводилась по следующему режиму: закалка с 1080° С на воздухе, деформация растяжением 0,3%, нагрев при 550° С в течение 200 ч и, наконец, старение при 700° С в течение 16 ч. По сравнению с обычной термической обработкой (без полигонизации) длительная прочность сплава при 700 и 900° С была примерно в два раза больше (рис. 78).

199

Было проведено также сравнительное исследова­

идет в основном по границам зерен и совсем немного внутри зе­ рен. Между тем после обычной обработки, кромё граничной диф­ фузии, наблюдается значительная диффузия также внутри зерен.

Очевидно, в результате процесса полигонизации дефекты структуры «вытесняются» из тела зерна, плотность их становится меньше и они сосредоточиваются на границах субзерен, а выде­ ление на субграницах при старении мелкодисперсной фазы де­ лает их менее проницаемыми диффузионно и термически более стабильными.

В работе Одинга, Ивановой, Гордиенко [171] для создания равномерной ячеистой структуры в железе и малоуглеродистой стали была предложена многократная деформация при комнат­ ной температуре (на длину площадки текучести) с промежуточ­ ным нагревом при 100—200° С (ММТО). Стабильность ячеистой структуры при такой обработке повышается за счет блокировки дислокаций примесями внедрения. Существенно возрастает со­ противление текучести и повышается температурный порог хлад­ ноломкости [6].

Е работе [172] для получения достаточно устойчивой полиго­ нальной структуры и увеличения сопротивления ползучести раз­ личных металлов была предложена низкотемпературная меха­ нико-термическая обработка (НМТО). Сначала производилась небольшая деформация при 77—4,2° К, а затем отжиг при 20— 200° С. В результате возникала весьма диспергированная, одно­ родная и достаточно устойчивая полигональная структура, что приводило к замедлению ползучести и увеличению длительной прочности.

200