» » Изменение прочности вследствие выделений
24.01.2015

Механизм повышения прочности

Почти исключительной целью обработки дисперсионным твердением является достижение повышенного сопротивления деформации. Это повышение обеспечивается неизбежно путем уменьшения подвижности дислокаций, служащей мерилом его величины. Если рассматривать твердый раствор, закаленный от температуры диффузионного отжига, когда второй компонент содержится в напряженном перенасыщенном растворе, то уже это напряженное состояние вызывает определенное повышение прочности по сравнению с твердым раствором в термодинамическом равновесии.
При распаде, т.е. при поэтапном расслоении, со снижением перенасыщения уменьшается искаженное состояние твердого раствора и соответственно уменьшается твердость твердого раствора из-за его обеднения. Чтобы достигнуть дисперсионного твердения, эту потерю прочности надо компенсировать в значительной степени другими механизмами. Эти эффекты, повышающие прочность и связанные с распадом, могут образовываться благодаря возникновению местных когерентных полей напряжений при начальном выделении.
При развивающихся далее ступенях выделения движение дислокаций достигается из-за усиливающейся блокировки плоскостей скольжения, поскольку они получаются благодаря граничным поверхностям выделенных частиц. При длительных периодах выдержки наблюдается напротив снова спад прочности (рис. 13.3.14). Решающим для поведения прочности закаленных сплавов является соответственно возникающий механизм твердения. В зависимости от формы и размера выделений они могут дислокациями разрезаться или огибаться.
В обоих случаях для движения линии дислокации, т.е. для единичного акта скольжения, необходимо приложить дополнительные силы по сравнению с движением дислокации в ненарушенной плоскости скольжения. Для объяснения этого повышения сопротивления деформации вследствие распада привлекаются соответственно две различные теории.
Изменение прочности вследствие выделений

По теории Келли и Файна дислокации перерезают препятствие. При этом по отношению к движению дислокации в ненарушенной плоскости скольжения нужно внести энергию для образования новых граничных плоскостей, для изменения атомного строения и для преодоления полей напряжения. Это толкование повышения сопротивления деформации путем распада преимущественно применяется при когерентных выделениях (рис. 13.3.15). Для возникающего из этого повышения напряжения решающим прежде всего является диаметр частицы d по формуле
По теории Орована дислокации огибают непроницаемые частицы выделения. Получаемая при этом энергия соответствует необходимому удлинению линии дислокаций при окружении частицы и создании кольца дислокаций (рис. 13.3.16). Для получающегося из этого повышения предела текучести Rp мерилом является межатомное расстояние между частицами:
Изменение прочности вследствие выделений

где R0 и ОС — константы, причем R0 зависит от "трения” в ненарушенной плоскости скольжения, а α от твердости частицы; D — среднее расстояние между частицами; d — диаметр частиц; G — модуль сдвига; b — вектор Бюргерса. Если пренебречь диаметром частиц d по сравнению с их межатомным расстоянием D, го уравнение (13.3.9) упрощается:
Изменение прочности вследствие выделений

Теорию Орована можно применять главным образом при некогерентных и частично когерентных выделениях.
Оказывается, что твердость и соответственно сопротивление деформации материала зависят не только от вида выделений, а весьма существенно также от их величины, распределения или плотности. Влияние формы и распределения выделений включает при этом не только влияние на сопротивление деформации при комнатной температуре, но может привести у соответствующих сплавов (например, у никелевого сплава) к значительному повышению жаропрочности, или сопротивлению ползучести.
Относительно температурйой зависимости предела текучести оказывается, что при когерентных выделениях можно ожидать более значительный спад предела текучести, чем при некогерентных. Это можно объяснить сравнительно большим снижением когерентных-напряжений с температурой. Для обеспечения жаропрочности, однако, необходима дополнительно достаточная стабильность некогерентных выделений против перестаривания, т.е. против коагуляции. Это имеет место, когда речь идет о выделениях в возможной стабильной фазе вблизи фазы равновесия.
Временной и температурный график изменения прочности

Из понимания механизма упрочнения при распаде перенасыщенного твердого раствора логически понятно изменение твердости, предела текучести и прочности в ходе выдержки. Процессы можно наглядно . изобразить изотермами твердости, т.е. графиками твердости в зависимости от времени выдержки при различных постоянных температурах. Поведение таких изотерм твердости выражается при этом суммарной кривой из различных влияний на твердость или прочность.
Благодаря когерентным и частично когерентным выделениям создаются напряжения, которые при более длительном времени выдержки вследствие уменьшения когерентности снова возвращаются к исходному уровню;
преимущественно с помощью некогерентных выделений в структуре образуются дополнительные граничные поверхности, которые, однако, при длительном времени выдержки из-за коагуляции частиц снова уничтожаются;
уменьшение перенасыщения твердого раствора ведет с возрастанием времени выдержки к уменьшению твердости твердого раствора.
Скорость, с которой протекают описанные диффузионно управляемые процессы, определяется в основном температурой. Технически способные к дисперсионному твердению сплавы демонстрируют при различной температуре соответственно разные графики твердения по времени (рис. 13.3.17). Если принять, что температура возрастает от T1 до T4, то при самой низкой температуре можно установить рост твердости до конечного значения без явления спада. При повышении температуры прочность растет быстрее и может стать еще более высокой; подъем прочности со временем при длительной выдержке выравнивается. При очень большом времени может наблюдаться также уменьшение прочности.
При температуре T1 повышение прочности можно объяснить полями напряжений когерентных выделений. При T1 могут появляться наряду с когерентными также частично когерентные выделения.
Изменение прочности вследствие выделений

Более короткое время до достижения максимальной твердости дает температура T3. Повышение максимума твердости часто вызывается уменьшением плотности частично когерентных выделений и коагуляцией некогерентных частиц.
При еще более высокой температуре T4 максимум твердости, как при T3, уже не достигается. Здесь очень рано образуются некогерентные выделения, плотность которых быстро уменьшается вследствие коагуляции. При очень высокой температуре, которая находится еще в гетерогенной области, но вблизи границы с гомогенным твердым раствором, твердый раствор вблизи равновесия фаз начинает распадаться, так что едва ли можно наблюдать увеличение прочности.
При высокой температуре выдержки и/или очень длительном времени выдержки структура вследствие так называемого перестаривания приближается к фазовому равновесию. Прочность гетерогенной структуры находится ниже прочности перенасыщенного твердого раствора.
В зависимости от величины частиц, их формы и механизма твердения можно объяснить график твердости при температуре выдержки следующим образом: к началу выдержки из закаленного перенасыщенного твердого раствора выделяется когерентная метастабильная фаза в форме небольших частиц. С увеличением времени выдержки частицы начинают расти. Это происходит вследствие перемещения атомов, причем более крупные частицы увеличиваются за счет более мелких, а последние постепенно растворяются. Средний диаметр частицы и межатомное расстояние при этом увеличиваются. С этим связаны нарастающие препятствия для движения дислокаций, которые в этой области преодолевают частицы путем перерезания (пересечения), что соответственно повышает твердость.
При достижении максимума твердости переход в частично когерентную, мета-стабильную промежуточную фазу уже завершен, наряду с процессом разрезания происходит также процесс Орована. Справа от максимума тогда располагается некогерентная, стабильная фаза. С ростом средних размеров частиц дислокации могут огибать частицы все легче, и поэтому достигается сильный спад (уменьшение) твердости, перестаривание.
У многих сплавов легких металлов и некоторых сплавов тяжелых металлов температура выдержки, которая должна быть подчинена изотермам твердости (см. рис. 13:3.14), составляет от комнатной температуры до 300 °C.
Влияние времени выдержки на форму выделений и на возникающую из этого твердость можно изобразить с помощью записи изотерм твердения AlCu-сплава с различным содержанием Cu при температуре выдержки 130 °C (рис. 13.3.18, а). Если для этих сплавов температура выдержки повысится до 190 °C, то измененный график механизмов выделения четко выражается в изотермах твердения, т.е. максимум твердости перемещается к более короткому времени выдержки (рис. 13.3.18, б).
Изменение прочности вследствие выделений

В частности, у сплавов легких металлов часто различаются холодное и горячее дисперсионное твердение. При этом под холодным дисперсионным твердением понимаются температурные режимы, при которых образуются когерентные выделения. Горячее дисперсионное твердение обусловлено образованием частично когерентных и некогерентных выделений. Чтобы в производственном применении гарантировать достаточную стабильность значений прочности, достигаемых благодаря состоянию выделения, имеет значение, в частности для Al-сплавов, то, что температура выдержки должна быть примерно на 100 °C выше, чем ожидаемая производственная температура.
Изменение прочности вследствие выделений

В случае, когда вследствие выдержки образуются только когерентные выделения, некогерентные сплавы имеют особенность, так называемый возврат. Благодаря кратковременному повышению температуры, которое, однако, не превышает область гетерогенности, зоны распада снова растворяются. Если такой материал с зонами распада, растворенными возвратом, выдерживаются дальше при первоначально более низкой температуре, то происходит обновленное, но замедленное повышение прочности благодаря дисперсионному твердению (рис. 13.3.19). Это явление может быть важным у сварных стыков (швов) сплавов, которые подвергаются дисперсионному твердению путем когерентных выделений.
Влияние концентрации. С ростом концентрации компонентов сплава возрастает степень перенасыщенности твердого раствора, закаливаемого от температуры диффузионного отжига. С увеличением пересыщения различные стадии дисперсионного твердения сдвигаются спустя некоторое время. При этом перенасыщенность действует на время, которое потребуется для достижения различных стадий дисперсионного твердения, по-разному. Это четко просматривается при режиме дисперсионного твердения AlCu-сплавов различного состава (см. рис. 13.3.18). Вид и форма выделений, связанных с изотермами твердости, подчинены графику значений твердости.
Влияние температуры отжига на растворение. В области гомогенного твердого раствора уровень температуры, при которой происходит закалка, позволяет ожидать определенного влияния, когда с возрастанием температуры увеличивается число "закаленных" вакансий. Последнее позволило бы надеяться в начале выдержки на ускорение процессов. Фактически это ожидаемое действие не всегда устанавливается. Часто наблюдается даже замедление процессов в начале выдержки, если закаливание идет от более высоких температур нагрева. Это связано с тем, что при возрастающем действии закалки увеличивается также число других вакансий, например скоплений вакансий и дислокационных петель. Последние, однако, действуют как стоки вакансий и могут уменьшать срок существования вакансий, способствующих диффузии.
Влияние предварительной деформации. Деформация, совершаемая в холодном состоянии между закалкой и выдержкой, создает дополнительно вакансии, дислокации, а при более высокой степени деформации также междоузельные атомы.
Наряду с сокращением срока службы закаленных вакансий из-за снижения числа вакансий, дополнительно внесенных деформацией, создаются также обусловленные деформацией новые вакансии. Влияние деформации в холодном состоянии на коэффициент диффузии поэтому не совсем однозначно, комплексно. Преимущественно деформация в холодном состоянии ускоряюще действует на образование частично когерентных выделений, так как для них благодаря повышению плотности дислокаций создается повышенная вероятность образования зародыша. Поэтому после деформаций в- холодном состоянии могут появиться частично когерентные выделения при температурах, которые, впрочем, ведут только к образованию ГП I-зон и когерентных Θ''-фаз (подавленное образование зон). При более высоких температурах выдержки по сравнению с упрочненным исходным состоянием дисперсионного твердения может возникнуть разупрочнение вследствие отпуска и рекристаллизации.