книги / Строение и свойства металлических сплавов

500

выделения, упрочнение протекает значительно интенсивней, а после нескольких процентов деформации скорость падает и кри­ вая истинных напряжений идет примерно так же, как в чистом металле.

Поликристаллическая медь, содержащая различные окислы,

Сам механизм этого распада — образование дисперсных груп­ пировок одновременно во всем объеме — приводит к созданию весьма равномерной структурной неоднородности. При этом от­ мечается значительное увеличение сопротивления пластической деформации. В сплавах Pt — Au после закалки из однофазной области и старения при 600° С твердость за несколько минут воз­

невелика, б < 1% (рис. 136).

В дискуссии по работе [265] подчеркивалось, что эффекты уп­ рочнения должны быть еще более значительными в случае спинодального распада пересыщенных растворов внедрения. Однако до сих пор не описан распад такого типа, хотя возможно, что увеличение твердости при отпуске эвтектоидной закаленной ста­ ли в самой начальной стадии (50—200° С; т < 1 мин) связано с таким распадом. При электронномикроскопическом исследовании на просвет выделения не наблюдались.

Рассмотрим некоторые причины упрочнения сплава при нали­ чии когерентных и некогерентных выделений [185, 149].

Перемещаясь в плоскости скольжения, дислокация должна или обходить частицы, или проходить сквозь них. (На движение дислокаций могут влиять также и другие несовершенства, на­ пример вакансии или геликоидальные дислокации, которые об­ разуются в кристалле при выделении второй фазы.) Различные теории приписывают большую или меньшую роль каждому из возможных типов взаимодействия. В действительности одновре-

309

менно может иметь место взаимодействие нескольких типов; являются ли при этом различные возможные эф­ фекты аддитивными, неле­ по, хотя обычно это и допус­ кается [308].

Во всех случаях дислока­ ция стремится двигаться по траектории, энергетически наиболее выгодной. При этом любой механизм по-

добного движения предполагает увеличение полной длины дислокационной линии. Этому соответствует деформационное упрочнение.

Среди различных факторов, определяющих величину работы продвижения дислокаций через препятствия, наибольшее значе­ ние, по-видимому, имеют когерентные напряжения, возникающие из-за различия атомных объемов матрицы и когерентного выде­ ления (теория Мотта и Набарро), и эффекты, связанные с уве­ личением поверхности раздела между частицей и матрицей при рассечении частицы дислокацией (Спайх). По мере роста частиц работа пересечения (среза) их увеличивается и дислокации на­ чинают проходить между ними (если расстояние между части­ цами достаточно велико, а материал матрицы между жесткими некогерентными частицами является достаточно мягким). Если

о

же расстояние между частицами мало [~ 10 нм (~100 А)], то напряжение, равное пределу текучести, недостаточно для того, чтобы изогнуть дислокацию до радиуса кривизны, сравнимого с расстоянием между частицами, и дислокации должны перере­ зать частицы.

Согласно Мотту и Набарро, максимальная твердость наблю­ дается при критическом размере частицы. Ливингстон исследо­ вал изменение твердости при выделении кобальта в меди, где

о

размер частиц в интервале от 1 до 10 нм (10 до 100 А) можно измерить магнитным методом, и обнаружил, что максимум твер-

О

дости соответствует размеру частицы 7 нм (70 А ).

Согласно теории Орована, когда дислокация проходит между частицами, напряжение течения определяется только расстояни­ ем между ними. Дислокация, двигаясь в мягкой матрице, содер­ жащей прочные и достаточно удаленные друг от друга частицы, как бы продавливается между частицами, оставляя вокруг них концентрическую петлю (рис. 137, 138). Необходимое для этого дополнительное напряжение определяется минимальным радиу­ сом кривизны изгиба дислокации. Для расстояния между части­ цами d, значительно большего их размеров, Орован получил для

310

Существенное значение имеет вопрос о возможности среза частиц при движении дислокаций. В случае частично когерент­ ных выделений дислокации могут перерезать их при малом раз­ мере частиц и не могут перерезать при большом.

Если частицы не совершенны и содержат дислокации, то до­ статочно крупные некогерентные частицы (подобно мелким ко­ герентным выделениям) могут деформироваться вместе с мат­ рицей.

Некогерентные частицы малых размеров, если они имеют со­ вершенную структуру, не деформируются даже при максималь­ ных напряжениях (случай композиционных материалов с ните­ видными кристаллами или выделения карбидов в ряде сталей).

Деформация частицы, не содержащей дислокации, возможна при достижении теоретической прочности. Поскольку модуль уп­ ругости матрицы обычно ниже, чем у частицы, то и теоретиче­ ская прочность матрицы будет достигнута раньше и вблизи ча­ стиц возможна локальная деформация матрицы. Напряжения вокруг частицы могут быть также сняты за счет образования трещины на границе раздела матрица — частица. Будут ли ге­ нерированы новые дислокации или возникнет трещина, зависит от величины поверхностной энергии и, в частности, от угла кон­ такта между частицей и матрицей. Увеличение этого угла будет способствовать образованию трещин. Существенное значение имеет форма частиц. Иглообразная форма затрудняет деформа­ цию матрицы из-за эффекта трения на поверхности раздела, что может привести к разрушению [185].

В работе [353] изучались механизмы упрочнения при выде­

упрочнения является торможение дислокаций атмосферой ато­ мов ниобия, затем выделение частиц (механизм Орована), а при деформации ~2% существенную роль играют дефекты упа­ ковки.

Рентгеноструктурные исследования кобальтовых сплавов с р-структурой (Со — Ni — Nb) показали, что при низкотемпера­ турном старении важным фактором упрочнения является обра­ зование сегрегаций на дефектах упаковки — атмосфер Сузуки [186—188], как и при отжиге деформированной алюминиевой бронзы [354]. Состояние с наибольшей плотностью сегрегаций (данные рентгеновского анализа) соответствует максимальному сопротивлению малым пластическим деформациям (пределу упругости). Прирост твердости и предела упругости при старе­ нии после деформации в три раза больше, чем при старении, после закалки, что, по-видимому, связано с развитием распада возле дефектов упаковки и слабым развитием гомогенного (зон­ ного) распада.

312

Эффект максимального упрочнения при комнатной темпера­ туре для железа [188], как и в случае сплавов алюминий — медь, отвечает второй стадии зонного распада, т. е. моменту упорядочения внутри зон, которые образованы примесями внед­ рения.

В мартенситно-стареющих хромоникелевых сплавах состоя­ ние максимального упрочнения тупр при низкотемпературном старении (400—500° С), по-видимому, соответствует метастабильному состоянию неоднородного твердого раствора (анало­ гично зонной структуре в алюминиевых сплавах), в образовании которого большую роль играет высокая плотность дефектов (ди­ слокаций). Максимальное упрочнение на этой стадии наблюдает­ ся в мартенсите, концентрация дефектов в котором более высо­ кая. (При старении мартенсита, полученного холодной дефор­ мацией или обработкой холодом, упрочнение выше, чем при от­ пуске мартенсита.)

Следует иметь в виду, что определенная последовательность режимов старения может существенно повлиять на прочность и физические свойства сплава [114].

Температурная зависимость напряжения течения сплава, уп­ рочненного дисперсными частицами, на основе дислокационных представлений рассмотрена в ряде работ, например [19], а экспе­ риментальная проверка различных теорий, согласно которым, в частности приведенное критическое напряжение сдвига пропор­ ционально Г2/а, проведена в работе [185]. Там же рассмотрены условия перехода от одного состояния состаренного сплава [ко-

О

герентные выделения, d ^ 15 нм (150 А), дислокации проходят через них] к другому (некогерентные выделения, d ^ 1 мкм, ди­ слокации проходят между ними).

Таким образом, упрочнение дисперсными частицами обязано, по крайней мере, двум обстоятельствам: во-первых, они непо­ средственно ограничивают движение дислокаций, заставляя ди­

слокации изгибаться (при этом напряжение возрастает а

где G — модуль сдвига, b — вектор Бюргерса и L — расстояние между частицами); во-вторых, частицы способствуют размноже­ нию дислокаций и увеличению их плотности (Орован). Анализ показывает, что оба механизма (изгиб и размножение дислока­ ций) работают в том случае, когда диаметр частиц (d) и рас­ стояние между ними (L) одного порядка. Поскольку дислока­ ция, изгибаясь и проходя между частицами, оставляет вокруг них петлю, эффективный размер частиц при этом будет возрас­ тать, а расстояние между ними уменьшаться, пока не станет

равным d ~ L. Это приводит к более эффективному упрочне-

О

нию. При d ~ 10 нм (100 А ) обеспечивается прочность порядка

""^“ О теор -

313

Теория, согласно которой прочность при наличии некогерент­ ных частиц определяется расстоянием между ними, проверялась также на монокристаллах меди, содержащих полученные внут­ ренним окислением частицы окислов кремния, алюминия и бе­ риллия. Некоторые результаты приведены в табл. 28 (Эшби и Смит).

Т а б л и ц а 28. Расчетные и опытные значения прочности внутренне окис­ ленных монокристаллов меди

Для сплавов, упрочненных частицами Si02 (сферической фор­ мы), совпадение расчета и опытных значений при 77° К очень хорошее. В других случаях расчет дает на -—25% более высокие значения. Низкие значения, полученные в опытах при повышен­ ных температурах, автор объясняет поперечным скольжением, что эквивалентно увеличению расстояния между частицами. Повидимому, теория справедлива для равномерно распределенных частиц сферической формы.

Разумеется, важны не только геометрия, но и кристаллохи­ мические свойства частиц, а также характер взаимодействия с матрицей. Упрочнение происходит значительно интенсивнее при наличии прочных частиц. В сплаве с мягкими частицами ско­ рость упрочнения примерно такая же, как при гомогенной струк­ туре.

На рис. 139 приведена диаграмма деформации при 77° К мо­ нокристаллов Си + 11,5% (ат.) Be, в одном случае после старе­ ния, в другом Си + 2,8% (объемн.) Ве02, полученного внутрен­ ним окислением (Келли). Интенсивность упрочнения в послед­ нем случае значительно больше, хотя ао,2 ниже. Большая ско­ рость наклепа объясняется образованием вокруг частиц петель и быстрым нарастанием плотности дислокаций.

Были исследованы сплав Ni + Ni3Al после старения и полу­

вательно, частицы могут деформироваться). Для системы Ni + + Ni3Al (при размере частиц —0,1 мкм) наблюдалось появле­ ние полос скольжения и поперечного скольжения. В сплаве

314

когерентными частицами устраняет локальную концентрацию на­ пряжений на границе фаз. Если частицы обладают большой прочностью межатомной связи, прохождение дислокаций через них потребует больших усилий, что обеспечит высокую проч­ ность.

Для реальных сплавов в самых благоприятных случаях упрочнения частицами второй фазы не удается получить плотно­ сть дислокаций (обычно рШах ~ Ю11 -т- 1012 смт2), необходимую для достижения теоретической прочности. ( ~ 1014— 1015 см~2).

Как указывалось, прочность будет существенно зависеть так­ же от взаимодействия фаз. Отмечалось, что при размерах частиц

О

окислов меньше 10 нм (100 А) связь между матрицей и частицей может вызвать когерентную деформацию вокруг частиц. В этом случае прочность обязана высокому сопротивлению сдвигу дис­ персных твердых частиц второй фазы.

На серии спеченных (до 98%-ной плотности) бинарных спла­ вов показано, что медь не упрочняется частицами второй фазы,

В работе Гранта рассмотрен способ упрочнения TD — Ni (ни­ келя, упрочненного дисперсными частицами окиси тория) с по­

315

мощью холодной обработки. При этом уменьшается эффектив­ ное расстояние между окислами. Промежуточный отжиг (для сплава Ni — Th02 при 800—1100° С) способствует перестройке дислокаций и образованию малоугловых границ. Пластичность после такой обработки повышается и опасность возникновения трещин при холодной деформации уменьшается.

Упрочнение сплавов, полученных внутренним окислением, повидимому, может быть также достигнуто за счет легирования, хотя эффекты здесь небольшие [280].

Механизм упрочнения двухфазной системы, в которой вторая фаза получена внутренним окислением, во многом похож на тот, который действует в состаренном сплаве. Более того, выше ука­ зывалось, что в ряде случаев теория упрочнения при наличии некогерентных частиц второй фазы проверялась -на сплавах, по­ лученных внутренним окислением. В последнем случае, однако, имеются свои особенности.

Для механических смесей в работе Ансела была развита мо­ дель феррито-цементитной смеси: предел текучести определялся напряжением, которое необходимо для разрушения или дефор­ мации твердой частицы. В расчете принимается, что дислокации пересекают границы зерен и скапливаются на границах раздела матрица — частица. В этом случае предел текучести

пластической деформации хрупких фаз. В работе [279] исследова­ лось движение дислокации в окиси алюминия. Как известно, ниже 1000° С это соединение является абсолютно хрупким. Однако был сделан вывод о том, что температурная зависимость разрушения в окиси алюминия связана с напряжением, которое необходимо для движения дислокаций, препятствующего обра­ зованию трещин. К этому же выводу приводит анализ излома после разрушения окиси алюминия при комнатной температуре.

Вработе 1травлением обнаружено распределение дислокаций

вA120 3 вокруг индентора, с помощью которого измерялась микротвердость в интервале 0—800° С. Движение дислокаций показано также в соединениях MgO и NaCl.

Сплавы, полученные внутренним окислением, наглядно демонстрируют преимущество прочности при повышенных тем­ пературах и длительном времени.

316

пластическую деформацию и разрушение. В зависимости от состояния поверхности и взаимодействия с ней дислокаций могут возникать различные эффекты [14].

чается вследствие уменьшения активационного энергетического барьера.

Очевидно, наличие на поверхности тонких пленок, отличаю­ щихся по свойствам от матрицы, должно оказывать влияние на эффект выхода. Чем больше модуль упругости пленки, тем больше будет сопротивление выходу дислокаций. Эф­ фект будет также зависеть от структурных характеристик пленки.

2. Эффект поверхностного торможения, связанный с обра­ зованием ступеньки скольжения, когда винтовая дислокация пересекает поверхность. Перемещение дислокаций под действи­ ем напряжений вызывает рост ступеньки. При этом сила сопро­ тивления или поверхностного торможения равна уb (у — поверх­ ностная энергия и Ъ— вектор Бюргерса). Наличие прочных (например, окисных) пленок должно приводить к увеличению напряжений, необходимых для прохождения дислокации, за счет сильного эффекта торможения.

3.Эффект закрепления, связанный с образованием локаль­ ной атмосферы растворенных атомов или выделений вдоль линий дислокаций. В этом случае напряжение, необходимое для движения дислокаций, сильно возрастает.

4.Эффект силового поля, связанный с изменением постоян­ ных решетки кристалла и его упругих констант при абсорбции поверхностью различных веществ. Такие изменения в тонком слое, установленные экспериментально, оказывают влияние на

прочность.

Отмечено (при одновременном сжатии и просвечивании по­ ляризованным светом), что поверхность может генерировать дислокации при напряжениях, почти в два раза меньших, чем напряжения, необходимые для работы источников Франка — Рида (Сузуки). Этот эффект объяснен присутствием на поверх­ ности тонких пленок, например окисей или гидроокисей.

В ряде работ было также показано, что существует поверх­ ностный слой с повышенной пластичностью (в кремнии и герма­ нии, например, толщиной в несколько микрон) [350].

Поверхность в целом влияет на механические свойства слож­ ным образом, поскольку, с одной стороны, она оказывает барьерное действие, а с другой — генерирует дислокации. На­ личие на поверхности барьеров может привести к скоплению дислокаций и способствовать образованию трещин.

Большое значение имеет возможность изменения поверхност­ ной энергии материала у. Понижение у как в случае хрупкого

318