Тонкое строение холоднодефомированных металлов

Сведения о строении деформированных металлов, полученные с помощью методов электронной микроскопии, являются наиболее достоверными. Из них следует исходить, сопоставляя полученные факты с основными положениями теории дислокаций. На рис. 46 представлена дислокационная картина пластического течения в малоуглеродистой стали, тонкий образец которой был исследован под просвечивающим электронным микроскопом с ускоряющим напряжением 1000 кВ. Удалось зафиксировать строение металла в ряде этажей (плоскостей скольжения) и увидеть несколько систем лежащих в них дислокаций (см. среднюю часть рисунка), движущихся в направлениях, определяемых геометрией решетки.

На рис. 47 показано распределение дислокаций в субграницах деформированного аустенита нержавеющей стали типа 18-8.

Из общих представлений об испускании дислокационных петель из их источников следует, что при определенном значении напряжений течения, достаточном для того, чтобы источник начал действовать, пластическая деформация должна быть неограниченно большой. Однако наличие препятствий движению дислокаций ограничивает развитие пластической деформации, иными словами, предопределяет упрочнение в процессе пластической деформации. Необходимо увеличение напряжения для преодоления этих препятствий.

Препятствиями для движения дислокаций могут быть: а) границы в кристаллах; б) частицы второй фазы; в) концентрационные неоднородности; г) структурные несовершенства (в частности, другие дислокации) и возникающие вокруг них поля напряжений, а также флуктуации в решетке, связанные с неравномерным распределением энергии или примесей.

Кроме того, уже в процессе движения дислокаций возникают различные механизмы торможения. Так, например, при движении дислокаций происходит локальное повышение температуры в сжимаемых участках кристалла и понижение температуры в растягиваемых. Перетекание тепла ведет к диссипации энергии (термоупругое трение).

Более существенные релаксационные потери связаны с переориентацией примесных атомов и точечных дефектов, что приводит, в частности, к изменению корреляции вблизи дислокации (образование атмосфер) в твердых растворах. Когда дислокация мигрирует вместе с атмосферой, необходимо затратить дополнительное напряжение срыва о, примерно равное V/b3, где V — энергия связи примесного атома с дислокацией.

Об упрочнении в процессе деформации подробнее см. с. 62. Следует рассмотреть влияние препятствий на распределение дислокаций в процессе деформации, иными словами, на создание определенного тонкого строения пластически деформированного кристалла. Петли дислокаций, распространяясь по плоскости скольжения от источника S (рис. 48), достигают препятствия и останавливаются перед ним. Взаимодействие накапливающихся у препятствий дислокаций приводит к их определенному распределению. Создается поле напряжений, которое по мере возрастания может привести к прекращению действия источника. Необходимое для этого количество дислокаций можно приблизительно подсчитать следующим образом.

Предшествующая скольжению упругая деформация в кристалле равна т/G, где т — приложенное напряжение, G — модуль сдвига. Когда начинается скольжение, упругая деформация релаксирует в области диаметром PQ=2L.

Предполагая полный переход суммарной упругой деформации (2Lт/G) в пластическую, равную при распространении n дислокационных петель величине (nb), получим

В большой полосе скольжения например, L = 10в-2 мм) число дислокаций, скапливающихся на кромках (у препятствий), достигает высоких значений порядка n=1000. Вокруг таких горизонтальных дислокационных групп будет действовать поле высоких напряжений, направленное против источника и вызывающее торможение движения других дислокаций, а также дислокаций в соседних плоскостях скольжения. Кроме того, из-за больших скоплений дислокаций возможен изгиб и поворот полос скольжения, что также приводит к торможению движущихся дислокаций и к упрочнению.

Деформация начинается с движения относительно небольшого числа дислокаций по одной системе плоскостей скольжения. На основании ряда исследований можно считать установленным, что в начале пластического течения основное количество дислокаций генерируется в виде концентрических петель небольшим числом наиболее активных источников. Если дислокации в данном кристалле (например, в никельхромовых сплавах) имеют низкую энергию дефекта упаковки у (т. е. поперечное скольжение затруднено), то образуются плоские скопления дислокаций у препятствий с постепенным уменьшением расстояния между дислокациями при приближении к препятствию (рис. 49). Плоские скопления у препятствий образуются в тех случаях, если дислокации не могут выйти из своей плоскости скольжения.

Однако в общем случае сохранение дислокации в ее плоскости скольжения в ходе пластической деформации является затруднительным. В кристаллах, дислокации которых имеют высокую энергию дефекта упаковки, уже на начальной стадии деформирования и при комнатной температуре протекает поперечное скольжение, которое наряду с переползанием, возникающим в случае деформирования при температурах, обеспечивающих определенную диффузионную подвижность атомов, приводит к выходу дислокаций из своей плоскости скольжения и взаимодействию с дислокациями соседних плоскостей. Наступление множественного скольжения (наблюдаемое уже при небольших деформациях в кристаллах с большим числом систем скольжения) также определяет взаимодействие дислокаций в пересекающихся плоскостях уже в начальный период деформации.

Изменение формы дислокационных линий и создание новых конфигураций в результате пересечений и образования порогов может быть показано на примере исследования деформированного при разных напряжениях алюминия (рис. 50) под электронным микроскопом.

Итак, в ходе пластической деформации очень трудно воспрепятствовать взаимодействию дислокаций в одной плоскости скольжения с дислокациями других плоскостей. Дислокации, скопившиеся у препятствий, как правило, вступают во взаимодействие с другими дислокациями и дефектами из соседних плоскостей, образуя дислокационные сплетения более или менее сложной конфигурации. В результате возникают узлы, сетки, решетки из дислокаций, имеющие как плоский, так и пространственный характер.

Следует отметить, что причины, вызвавшие появление сложных дислокационных построений при деформации, определяют и устойчивость этих конфигураций, так как они связаны с разными источниками дислокаций в пересекающихся плоскостях. В узлах сосредоточиваются различные дислокации, в том числе и неподвижные, а сами узлы блокированы другими дефектами (например, вакансиями, атомами примесей и т.д.). Поэтому с повышением степени деформации дислокационные сетки будут не исчезать, а перераспределяться из-за общего повышения плотности дислокаций с созданием субграниц, сгущений, разбивающих кристалл на объемы, сравнительно свободные от дислокаций, т. е. будет происходить образование ячеистой структуры (см. рис. 50, в; 51).

Как показывают эксперименты, в металлах с о. ц. к. решеткой (железо, молибден) уже в начале процесса деформации образуются пороги на дислокациях, а также развиваются процессы формирования сплетений дислокаций в локальных объемах кристалла, где протекают процессы их пересечения.

В результате предварительной обработки (отжигом) образцов железа дислокации почти полностью удалялись из зерен (фрагментов) и сосредоточивались в большеугловых границах. Затем проводили деформацию прокаткой с разной степенью обжатия при различных температурах. Так, в случае деформации на 5, 9, 16 и 30% при комнатной температуре не было отмечено образования плоских скоплений. Как видно из рис. 52, на дислокациях имеется много порогов и неравномерное распределение.

Тенденция к образованию сложной (ячеистой) дислокационной структуры проявляется уже при деформации со степенью обжатия 5%; участки, свободные от дислокаций, имеют в поперечнике ~3 мкм. Начинается образование ячеистой структуры от границ зерен, где имеется повышенная плотность дислокаций. При деформации 9 и 16% ячеистая структура проявляется более четко, а после деформации 30% эта структура уже полностью сформирована со средним размером ячеек около 2 мкм.

При понижении температуры деформации до -70° дислокации распределяются более равномерно и имеют меньше порогов; с повышением температуры до 250° С, наоборот, неравномерность деформации проявляется сильнее, ячеистая структура становится более ярко выраженной (рис. 53). При снижении температуры до -196° преобладающим механизмом деформации становится двойникование (рис. 54). Однако во всех случаях па дислокационных линиях наблюдали пороги и не находили скоплений дислокаций в плоские горизонтальные группировки.

С повышением степени деформации средняя плотность дислокаций в развивающейся ячеистой структуре увеличивается, но размеры ячеек сохраняются неизменными. При деформации железа обнаружено развитие поперечного скольжения и соответственно образование полос скольжения, Дислокации в железе оказались легкоподвижными по различным системам скольжения. Были проведены эксперименты по растяжению тонких фольг железа в рекристаллизованном и наклепанном (прокаткой на разные степени обжатия) состоянии с одновременным измерением плотности дислокаций на испытываемых образцах. Напряжение течения определялось как значение, отвечающее отклонению от прямолинейной зависимости напряжения от деформации. Плотность дислокаций измеряли по увеличенным электронным микрофотографиям, снятым с каждого образца, с использованием методов статистической обработки (число пересечений с сеткой из двух систем параллельных линий). Получена следующая зависимость между напряжением течения of и плотностью дислокаций Nf.

где o0 — напряжение, необходимое для движения дислокаций в отожженном материале.

В ряде экспериментальных работ утверждается, что вероятным является наличие в о. ц. к. решетке железа растянутых дислокаций с положением дефекта упаковки по (112), а также (110). В этом дефекте упаковки (110) расположение атомов должно отвечать г. ц. к. решетке и наличию октаэдрических пор, в которых, по механизму Сузуки, легко могут располагаться атомы, например углерода В свою очередь образование сегрегаций по Сузуки будет стабилизировать дефекты упаковки (110).

Надо отметить, что и в случае дефекта упаковки (112), найденного в ряде других о. ц. к. решетках, эффект сегрегаций по Сузуки может играть важную роль. В этих дефектах упаковки (112) октаэдрические поры представляются вытянутыми как раз в направлении [100], что облегчает размещение в порах углерода (по типу мартенсита).

Крюссар объясняет синеломкость мягких сталей (при 200—300°С) более интенсивным развитием сегрегаций, по Сузуки, на дефектах упаковки в результате нагрева, так как "насыщение" дефектов упаковок примесями делает их более стабильными и соответственно более эффективными препятствиями для движения других дислокаций. Он считает также, что предложенная им модель объясняет исчезновение пика Сноека в наклепанном железе и появление пика при 200°С (по аналогии с синеломкостью), имеющего энергию активации около 30 ккал/моль. Крюссар полагает, что эти пиления связаны со «специфическим состоянием», в котором находятся атомы углерода, когда переход в другие позиции сильно затруднен в связи с их закреплением в октаэдрических порах дефектом упаковки (110) или (112).

Работа Крюссара носила в значительной степени гипотетический характер. В 1963 г. были опубликованы результаты экспериментального исследования Тэкейяма и Кетеля, нашедших эти дефекты упаковки в железе зонной плавки с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Таким образом, тонкое строение деформированных металлических кристаллов зависит от величины пластической деформации и температуры деформирования. При сравнительно небольших степенях деформации (обычно до 4—7%) дислокации образуют скопления (или нагромождения) на плоскостях скольжения перед препятствиями. При этом в результате взаимодействия дислокаций при множественном скольжении, а также в зависимости от величины энергии дефекта укладки (от различной возможности поперечного скольжения) в таких скоплениях чаще всего видны не отдельные дислокации, а сетки. Плоскими скопления являются только в особых случаях: деформация при низкой температуре, или, как было сказано, при весьма низкой (у<20 эрг/см2) энергии дефекта упаковки. В большинстве случаев сетки в скоплениях являются объемными. Форма сеток и их размеры для данного кристалла определяются условиями деформирования, главным образом степенью деформации.

Хотя в основе формы сеток лежит известное гексагональное построение, однако с повышением степени деформации наблюдается существенное отклонение от этой формы, сплющивание шестиугольников, смятие (срыв) отдельных сегментов и т. п. Слои из сеток дислокаций являются по существу малоугловыми субграницами.

При увеличении степени деформации уменьшается расстояние между отдельными сетками, сами сетки становятся более искаженными и мелкими, сгущения этих сеток перераспределяются и, наконец, образуется ячеистая структура, состоящая, как было сказано выше, из «чистых» объемов, имеющих в поперечнике 1—2 мкм, разделенных граничными областями из сгущений сеток с очень высокой плотностью дислокаций. Для ячеистой структуры характерна высокая напряженность и большая неоднородность в распределении дислокаций.

Естественно, что такие сравнительно сложные изменения строения кристаллов, наблюдаемые при увеличении степени деформации, должны определять и своеобразие в изменении свойств.