» » Физическая природа упрочнения
27.12.2014

Поскольку в настоящее время установлено, что пластическая деформация кристаллических материалов осуществляется посредством перемещения дислокаций, сформулируем основные причины упрочнения при деформации, легировании и некоторых видах термической обработки чистых металлов и сплавов исходя из расположения, движения и взаимодействия дислокаций.
Дислокационная теория деформационного упрочнения была развита в работах Коттрелла, Зегера, Мотта, Haбарро, Фриделя, Рида и в настоящее время достаточно широко известна. В последние годы благодаря бурному развитию точных методов структурного анализа основные положения дислокационной теории получили блестящее экспериментальное подтверждение. Ниже будут отмечены лишь некоторые основные положения дислокационной теории упрочнения.
В процессе пластической деформации всегда наблюдается увеличение плотности дислокаций ρ от 10в6—10в8 см-2 в недеформированных металлах до 10в11—10в12 см-2 в сильно упрочненных металлах. Основной механизм размножения дислокаций при деформации — источник Франка — Рида. Критическое сдвиговое напряжение для работы источника Франка — Рида определяется соотношением
Физическая природа упрочнения

где μ — модуль сдвига; lo — расстояние между точками закрепления дислокаций; b — вектор Бюргерса.
В соответствии с представлениями Зегера при достижении критического напряжения сдвига ткр большое число дислокаций начинает перемещаться в плоскости скольжения на расстояния, существенно превышающие расстояния между дислокациями. Движению дислокаций противодействуют силовые поля кристаллической решетки и других дислокаций, находящихся в кристалле. Противодействие кристаллической решетки описывается силами Пайерлса, по приближенным оценкам для металлов с ГЦК-решеткой не превышающими 10-4μ. Силами Пайерлса из-за их малой величины нельзя объяснить упрочнение при пластической деформации.
Основная доля противодействия движущейся дислокации обусловлена упругим взаимодействием с другими дислокациями в параллельных плоскостях скольжения тG. Величина растет с увеличением ρ и в значительной степени определяет упрочнение при увеличении ρ:
Физическая природа упрочнения

Здесь α — коэффициент, примерно равный 0,5.
Кроме упругого взаимодействия движущаяся дислокация испытывает противодействие со стороны дислокаций, пересекающих плоскость скольжения, — «леса» (тs). Величина тs, как и тG, возрастает с увеличением плотности дислокаций «леса» . Необходимо учитывать также взаимодействие почти параллельных дислокаций, движущихся по разным пересекающимся плоскостям скольжения. В результате такого взаимодействия может образоваться неподвижная сидячая дислокация.
При пересечении двух дислокаций с различными векторами Бюргерса на каждой из них возникает ступенька. Наличие ступенек сильно затрудняет скольжение дислокаций, поскольку при скольжении должно происходить переползание ступенек, требующее значительной энергии активации.
При взаимодействии расщепленных дислокаций, расположенных в пересекающихся плоскостях скольжения, могут образовываться сидячие дислокации «Номера — Коттрелла. В этом случае блокируются обе плоскости скольжения.
Движению дислокаций препятствуют также различного рода скопления дислокаций. Большую роль в формировании дислокационных скоплений при деформации играют мало- и высокоугольные границы в металле. Напряжение тс, связанное с субструктурой, зависит от длины свободного пробега дислокаций — среднего расстояния между субграницами d
Физическая природа упрочнения

Здесь тс* — концентрация напряжения у субграницы, вызываемая скоплением; т0 — напряжение, необходимое для начала пластической деформации в кристалле, не содержащем субграниц.
Влияние температуры на процессы, связанные с деформационным упрочнением металлов, имеет очень большое значение для жаропрочных материалов и будет подробно рассмотрено ниже.
Упрочнение при легировании связано со взаимодействием примесных атомов с дислокациями. Основной вид взаимодействия примесных атомов, образующих с основным металлом твердый раствор замещения или внедрения, с дислокациями — упругое взаимодействие из-за несоответствия атомных размеров. Энергия такого взаимодействия для краевой дислокации выражается соотношением
Физическая природа упрочнения

где ε = (r—r')/r; r и r' — атомные радиусы основного металла и примеси; R' и 0 — полярные координаты примесного атома относительно линии дислокации.
Наличие энергии U приводит к тому, что при малых концентрациях c0 примеси образуют атмосферы вокруг дислокаций — атмосферы Коттрелла. Концентрация примеси в атмосфере с убывает с увеличением расстояния от дислокации R'
Физическая природа упрочнения

Примесные атмосферы сильно тормозят скольжение, так как перемещение дислокаций с атмосферами, как и отрыв от них требуют дополнительной затраты энергии. В работе Коттрелла и Джесвона показано, что для отрыва дислокации от ненасыщенной атмосферы (см. уравнение (5)) необходимо напряжение
Физическая природа упрочнения

где A = -4μεbr3; N0 — общее число всех атомов (примесных и основного металла) на единицу объема. Для случая насыщенной атмосферы Коттрелл и Билби предложили следующее приближенное выражение:
Физическая природа упрочнения

Кроме атмосфер Коттрелла, обусловленных упругим взаимодействием примесей и дислокаций, существуют атмосферы Сузуки, Сноека и Фишера, связанные с иным характером взаимодействия дислокаций с атомами примесей. Атмосферы Сузуки образуются в области дефектов упаковки и приводят к блокировке как краевых, так и винтовых дислокаций. Напряжение σ для отрыва дислокаций от атмосфер Сузуки пропорционально с0(1—с0). Атмосферы Сноека возникают в связи с некоторыми тетрагональными искажениями решетки, имеющими определенную ориентацию. Известно, что в ОЦК-решетке внедренные атомы (например, атомы углерода в решетке α-железа) могут располагаться в межатомных промежутках, соответствующих трем возможным направлениям тетрагональности. В решетке, не подверженной действию внешних сил, все три типа промежутков с равной вероятностью могут быть заняты внедренными атомами. В поле упругих напряжений дислокации происходит перераспределение в заселении различных мест решетки, поскольку энергия взаимодействия дислокации и внедренного атома зависит от типа занятого им промежутка. Вследствие перераспределения дислокации оказываются блокированными упорядоченным распределением внедренных атомов. Эффект Сноека сильнее выражен в поле винтовых дислокаций. Возможно еще электрическое взаимодействие примесных атомов с дислокациями, обусловленное тем, что краевые и смешанные дислокации являются слабыми электрическими диполями. Поэтому примесные ионы могут взаимодействовать с дислокациями, образуя сегрегации около ядра дислокаций. Расчеты показали, что потенциальная энергия такого взаимодействия определяется уравнением
Физическая природа упрочнения

где Z — заряд иона примеси; Ef — энергия Ферми; А — симметричный тензор деформации.
Оценить величину Uэ для металлов весьма затруднительно, поскольку не известен заряд иона Z. В металлах всегда имеется достаточное число свободных электронов, которые образуют вокруг положительного иона экранирующий потенциал. Если принять экспоненциальный закон убывания потенциала примеси с расстоянием, то для меди энергия упругого взаимодействия в 3—7 раз превышает величину Uэ.
Все рассмотренные случаи упрочнения металла примесными атомами относятся к растворимым примесям.
Дислокационная теория дисперсионного упрочнения была построена в работах Мотта, Набарро, Орована и Вильямса. Мотт и Набарро исследовали упрочнение при учете взаимодействия поля упругих напряжений дислокации и внутренних напряжений, создаваемых частицами. Они показали, что напряжение сдвига зависит от соотношения расстояния l между частицами и предельным радиусом кривизны p дислокационной линии в поле местных внутренних напряжений σi, обусловленных частицами. Величины p и σi определяются из соотношений
Физическая природа упрочнения

где r0 — радиус частицы; R — модуль радиуса-вектора в точке, в которой вычисляется σi; εr — степень размерного несоответствия атомных радиусов матрицы и частицы (включения).
При l

Физическая природа упрочнения

Теория показывает, что σi max = 2μεс (с — концентрация частиц, равная 4/3πr3N, где N — число частиц 3 радиуса r0 в единице объема). Тогда
Физическая природа упрочнения

Обычно lкр порядка 50 межатомных расстояний. При l<р сплав смягчается по мере увеличения l.
Несколько иной подход к механизму дисперсионного упрочнения предложен в работе. Здесь начальные стадии перемещения дислокаций в кристалле с включениями считаются подобными механизму преодоления дислокациями частиц по Оровану. При приближении линии дислокации к частицам приложенное напряжение выгибает дислокацию между ними до тех пор, пока смещенные участки соседних петель не сольются. При этом дислокация проходит дальше, по Оровану, в своей плоскости скольжения, оставляя вокруг частиц кольца дислокаций. Для продолжения скольжения необходимо разрушение или пластическая деформация частиц, что не противоречит эксперименту.
Таким образом, упрочнение при всех видах легирования, используемого на практике, находит объяснение в дислокационной теории.
Упрочнение при термической обработке в большинстве случаев бывает связано с проходящими при этом фазовыми превращениями: образованием метастабильных фаз, распадом пересыщенных твердых растворов и т. д. Упрочнение в этих случаях бывает обусловлено термическими напряжениями, образованием упругосжатых и упруго-растянутых областей из-за различного удельного объема вновь образующихся фаз и матрицы, когерентной связью частиц выделений с матрицей и другими эффектами, детально обсуждаемыми в металловедческой литературе в последние 30 лет.
Особый интерес представляют мартенситные превращения, развивающиеся в процессе термической обработки (охлаждения.) сталей. Описанию механизма и характерных черт этого класса превращений посвящены работы выдающегося советского ученого Г. В. Kypдюмова и его школы. Используя развитые Г. В. Kypдюмовым представления, можно получить требуемое на практике сочетание механических свойств стали путем контролируемой термической обработки (закалки и отпуска).
В некоторых случаях упрочняющий эффект термообработки обнаруживается и при отсутствии фазовых превращений, например при закалке чистых металлов. Экспериментальные подтверждения этого эффекта были получены на ряде металлов. В работе показано, что закалочное упрочнение обусловлено в основном взаимодействием дислокаций с вакансиями и вакансионными скоплениями. Вакансии упрочняют металл двумя способами: оказывают непосредственное сопротивление движущейся дислокации и аннигилируют на дислокациях с образованием порогов. Эффект упрочнения зависит от температуры, поскольку при достаточно низких температурах не происходит диффузии вакансий вдоль дислокационных линий, в то время как с повышением температуры возможна диффузия и образование порогов на дислокациях.
Все рассмотренные виды упрочнения используются на практике. Для жаропрочных материалов, как указывалось выше, большое значение имеет возможность сохранения упрочнения при повышенных и высоких температурах. Поэтому необходимо прежде всего рассмотреть влияние температуры на уровень упрочнения металлических материалов.