Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Деформационное упрочнение металлов

20.04.2019


Одно из существенных явлений, наблюдаемых в деформируемых кристаллах, — это их упрочнение в результате холодной деформации. Подробное рассмотрение этого явления несомненно имеет не только практический интерес, но и теоретический, так как непосредственно связано с изменениями строения.

Об упрочнении при деформировании кристаллов можно судить по форме кривых «напряжение — деформация». При их экспериментальном построении форма кривых существенно зависит от типа кристаллической решетки кристалла, его чистоты, предыдущих термических обработок (и даже от характеристик испытательной машины).

Для металлов с кубической решеткой кривую упрочнения можно в первом приближении представить в виде параболической зависимости между деформирующим напряжением и деформацией, в для металлов с гексагональной решеткой наблюдается примерно линейная зависимость между этими параметрами (рис. 55). Этот факт в сочетании с общими представлениями о физической природе упрочнения как о процессе создания препятствий для движения дислокаций позволяет считать, что упрочнение в процессе пластической деформации определяется главным образом взаимодействием дислокаций, приводящим к таким изменениям в структуре, при которых движение дислокаций становится затруднительным. Меньшее упрочнение при наклепе металлов, имеющих гексагональную решетку, по сравнению с металлами кубической сингонии, очевидно, связано с наличием меньшего числа систем легкого сдвига в гексагональной решетке по сравнению с кубической. В этом последнем случае неизбежно скольжение по пересекающимся плоскостям и направлениям, в результате чего скольжение из одинарного превращается в множественное, характерное взаимодействием дислокаций, с созданием их сложных конфигураций и эффективных барьеров, а отсюда получением большего упрочнения при наклепе.
Деформационное упрочнение металлов

Исследования кристаллов с г. ц. к. решеткой, в которых наиболее легко осуществляется множественное скольжение, показали, что кривая упрочнения для них имеет сложный вид, определяемый тем, что коэффициент упрочнения при наклепе непостоянен на разных участках кривой «напряжение — деформация» (рис. 56). Это свидетельствует о зависимости процесса пластического течения от степени деформации и находится в соответствии с приведенными выше экспериментальными данными о сложном изменении дислокационной субструктуры при увеличивающемся напряжении.

Исходя из этого, приведенная на рис. 56 кривая, на которой можно различить три стадии упрочнения, является общей для всех кристаллов. В зависимости от типа решетки эти стадии могут иметь pазное развитие либо совсем отсутствовать.

Стадия I, отмечаемая на кривой зависимости напряжения от деформации (рис. 56), характерна облегченным скольжением, развитие которого в сильной степени зависит от ориентации кристалла относительно внешнего напряжения и от наличия примесей. Эта область легкого скольжения характеризуется примерно линейной зависимостью деформирующих напряжений от деформации с малой величиной коэффициента упрочнения. Скольжение на этой стадии определяется перемещением дислокаций по первичным системам скольжения с осуществлением одинарного скольжения.

Для гексагональных кристаллов, в которых скольжение проходит преимущественно по одной системе, стадия I характерна для всей кривой упрочнения, если не происходит двойникования.

В процессе стадии I образуются тонкие линии скольжения, равномерно распределенные по всей поверхности кристалла на расстоянии друг от друга, равном 200—300 А. Величина сдвига в каждом следе скольжения колеблется от 30 до 50 А. Деформация на этой стадии идет главным образом возникновением новых линий скольжения, плотность которых повышается с ростом деформации.

Деформирующие напряжения растут пропорционально деформации. Коэффициент упрочнения оА/Ае зависит от длины свободного пробега дислокаций, которая определяется препятствиями, созданными еще в исходном состоянии металла, например границами в нем. Так как взаимодействие дислокаций отсутствует, то количество препятствий в ходе пластической деформации не меняется, и коэффициент упрочнения не должен зависеть от ориентации кристалла. Это действительно выполняется для гексагональных кристаллов и тонких (диаметром менее 1 мм) кубических кристаллов.

В кубических кристаллах большей толщины трудно предотвратить множественное скольжение и соответственно взаимодействие дислокаций с образованием новых препятствий. В этих условиях коэффициент упрочнения начинает зависеть от ориентации кристалла; упрочнение растет в связи с уменьшением длины свободного пробега.

Таким образом, стадия I возможна лишь при отсутствии препятствий, характерных для множественного (турбулентного) скольжения. В этом случае процесс упрочнения протекает медленно, в кристалле накапливается небольшое число дислокаций и расстояния между ними велики. Часто для некоторых г. ц. к. кристаллов, в которых быстро наступает множественное скольжение, стадия I практически не наблюдается; если же она существует, то обычно не продолжительна и прекращается после весьма небольшой деформации. Так, в а-латуни и нержавеющей стали это происходит уже при удлинении 1—2%. По-видимому, единственный фактор упрочнения при единичном (легком) скольжении — задержка части дислокаций у субграниц., в кристалле.

При повышении напряжения (или, что эквивалентно, при изменении ориентации кристалла относительно направления касательного напряжения) вступают в скольжение вторичные системы и процесс скольжения становится множественным (турбулентным). Это предусматривает движение дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения с образованием (при их встрече) дополнительного числа эффективных препятствий для их перемещения. Наступает стадия II, наиболее протяженная по кривой «напряжение — деформация», коэффициент упрочнения для которой значительно больше, чем для стадии I (легкого скольжения), и сохраняется приблизительно постоянным на протяжении всей стадии II. При этом отношение коэффициента упрочнения к модулю сдвига (или к любой другой константе упругости) практически не зависит от величины приложенного напряжения и от температуры, а также мало зависит от ориентации кристалла и количества примесей. Для большинства металлов с г. ц. к. решеткой величина отношения коэффициента упрочнения к модулю упругости составляет около 4х10в-3.

Экспериментами, предусматривающими комбинированное деформирование кручением и растяжением (монокристаллов меди), показано, что интенсивное упрочнение на стадии II связано с множественным скольжением при непрерывно проходящей небольшой деформации по вторичным системам скольжения, сопровождаемой образованием эффективных препятствий при пересечении подвижных дислокаций.

На стадии II формируется ячеистая структура (см. выше), для описания которой исходят из следующего:

а) ячейки (поперечником 1—3 мкм) практически свободны от дислокаций и ограничены дислокационными субграницами (толщиной 0,1—0,2 мкм), в которых сосредоточены почти все дислокации;

б) дислокационные субграницы ячеек могут быть представлены как состоящие из групп одноименных дислокаций, причем в каждой группе имеется п дислокаций; на единицу площади имеется N таких групп и p=Nn,

в) среднее расстояние l между группами в субгранице ячейки равно 1/V N; средний пробег одной дислокации (пока она достигнет субграницы ячейки) L; чем больше групп (больше деформация на стадии II, большое количество дислокаций в субгранице, ограничивающей ячейку), тем меньше l и тем меньше L (для стадии I: L=KIl).

На стадии II дислокации двигаются через поля напряжений разных групп. Поле напряжений от одной группы может быть оценено напряжением Пайерлса — Набарро (увеличенным в n раз) o = K2Gbn/2пl. Степень пластической деформации e=рbL (см. выше).

Коэффициент упрочнения на стадии II DII = Ao/Ае.

Итак, коэффициент упрочнения стадии II определяется чисто геометрическими факторами и не зависит от L, l, o. Это означает, что деформационное упрочнение линейно зависит от степени деформации. Зависимость напряжения от плотности дислокаций

является общей зависимостью для всех металлов на стадии it. Величина n — коэффициент пропорциональности между o и Vp: чем выше n, тем выше o при той же плотности дислокаций р. Иными словами, чем труднее протекает поперечное скольжение или другие процессы, определяющие выход дислокаций из своей плоскости (т. е. чем выше их число п в каждой группе), тем больше деформационное упрочнение. Поэтому в латуни, в которой в связи с легированием цинком уменьшается энергия дефекта упаковки и затрудняется перераспределение дислокаций, деформационное упрочнение выше, чем в меди.

При электронномикроскопическом анализе следов скольжения получены подтверждения изменения характера скольжения при переходе к стадии II. Длина линий скольжения уменьшается и появляются новые очень тонкие линии длиной около 10 мкм, образовавшиеся в результате скольжения по латентным плоскостям. Длина линий скольжения на стадии II уменьшается приблизительно линейно с ростом деформации.

Создание препятствий, задерживающих распространение сдвига по плоскостям скольжения и вызывающих сильное упрочнение на стадии II, приводит к неравномерному распределению деформации по объему кристалла. Хотя большинство линий скольжения по-прежнему остается расположенным на расстоянии около 200—300 А друг от друга, наряду с ними появляются тонкие линии скольжения, удаленные на расстояние до 2500 А. Средний промежуток между линиями скольжения несколько возрастает, причем последние распределяются неравномерно.

При относительно высоких напряжениях оказываются возможными изменения в распределении дислокаций. Они могут, например, начать огибать препятствия, которые их сдерживали на стадии II, или же возможны реакции между дислокациями противоположных знаков, расположенных в различных местах, со взаимным их уничтожением и уменьшением поля внутренних напряжений. Все это приводит к уменьшению коэффициента упрочнения по сравнению с его значением на стадии II — к наступлению стадии III. На концах отдельных линий скольжения, где сосредоточены большие искажения, под действием приложенных напряжений и теплового движения атомов происходит частичная разрядка искажений путем деформации во вторичной системе скольжения. Уменьшение искажений может определить также продолжение деформации и в первичной системе, «освобожденной» от некоторого числа дислокаций, ушедших для совершения деформации во вторичной системе.

Экспериментально установлено, что в начале стадии III (как на стадии II) образуются тонкие линии скольжения, длина которых продолжает уменьшаться с ростом деформации. Это означает, что не происходит разрушения препятствий для движения дислокаций при повышении деформирующих напряжений и температуры. Если бы такое разрушение барьеров имело место, то на протяжении стадии III должно было наблюдаться непрерывное увеличение длины линий скольжения.

Параллельные линии (или группы линий) скольжения на стадии III соединяются между собой поперечными линиями скольжения по плоскостям вторичных систем. Число таких соединений и величина сдвига в поперечных следах скольжения растут с увеличением деформации на стадии III, что приводит при последовательном увеличений деформации к образованию полос скольжения и их фрагментации. Таким образом, характерной особенностью деформации на стадии III является развитие поперечного скольжения, которое и является основным механизмом обхода дислокациями барьеров, созданных на стадии II.

Наклон кривой упрочнения на стадии III (характеризующий коэффициент упрочнения) уменьшается. Деформирующие напряжения на этой стадии сильно зависят от температуры. На этой стадии возникает новое распределение дислокаций в объеме кристалла, причем оно не может быть охарактеризовано только суммарным напряжением или величиной деформации, так как существенно зависит от программы деформирования — способа, каким было достигнуто напряжение или деформация при данной температуре.

Таким образом, на стадии III развиваются процессы «динамического возврата», связанные с перераспределением дислокаций под влиянием высоких напряжений. Термин «возврат» применен в данном случае потому, что повышение напряжений уменьшает коэффициент упрочнения на этой стадии по сравнению со стадией II. Термин «динамический» указывает на то, что наблюдаемые эффекты происходят во время значительной пластической деформации, а не после разгрузки или уменьшения напряжения ниже критического. Для этих двух последних случаев следует использовать термин «нормальный» или «статический возврат».

Надо отметить, что «динамический возврат» может проходить при сравнительно пониженных температурах, когда скорость «нормального возврата» деформированного металла очень мала. Это определяется тем, что на стадии III стягивание винтовых дислокаций и их переход в плоскость поперечного скольжения происходит под воздействием сразу трех факторов: деформирующих напряжений, внутренних напряжений вокруг заторможенных дислокаций у препятствий и энергии теплового движения. В том случае, если у препятствия имеется достаточно много винтовых дислокаций и действующее в плоскости скольжения напряжение достаточно велико, то возможны перенос винтовой дислокации у препятствия в соседнюю плоскость и осуществление поперечного скольжения без существенной термической активации. Это явление, по-видимому, чаще всего встречается при невысоких (в том числе и комнатных) температурах.

В соответствии со сказанным наблюдаются следующие закономерности развития процесса динамического возврата («смягчения при наклепе»), особенно четко проявляющиеся в металлах с г. ц. к. решеткой.

1. Энергия активации динамического возврата находится в зависимости от величины приложенного напряжения.

2. Чем выше энергия дефекта укладки (чем меньше ширина растянутой дислокации), тем ниже величина энергии активации динамического возврата (тем легче осуществляется поперечное скольжение).

Сделаны попытки связать деформационное упрочнение, в частности на стадиях II и III, со значениями накопленной энергии деформирования. Это направление интересно тем, что экспериментальные данные сравниваются с расчетными, получаемыми по теории деформационного упрочнения, предложенной Кульман-Вильсдорф. Согласно этой теории повышение деформирующих напряжений в ходе пластического течения обусловлено взаимодействием движущихся дислокаций с точечными дефектами, плотность которых при деформации резко возрастает пропорционально (Al/l)3/2, где Аl/l — степень деформации предложена следующая схема: пересечение винтовых дислокаций мри деформировании сопровождается образованием порогов, движение этих порогов генерирует вакансии). Точечные дефекты не только скапливаются (образуют атмосферы) вокруг дислокаций, но участвуют в сложном взаимодействии дислокаций на стадиях II и III, точечные дефекты стекают в узлы, сетки, меняют их конфигурацию, затрудняют осуществление элементарных актов пластической деформации.

На примере монокристалла серебра было показано, что имеется хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений отношения общей накопленной энергии Еизм к общей затраченной Eзатр на стадиях II и III. По отношениям (Eизм/Eэатр)II и (Eиэм/Eэатр)III полученным расчетным и экспериментальным путем, были проведены оценки величины накопленной энергии, связанной лишь с повышением плотности дислокаций, а также вклад в эту величину образующихся при деформации вакансий. Таким образом, отмечалась не только прямая связь накопленной энергии деформирования с изменениями в тонком строении кристаллов, но и была показана возможность расчетного определения накопленной энергии по данным изменения тонкого (дислокационного) строения в результате деформации.

В экспериментальных работах по изучению деформационного упрочнения ряда металлов найдена квадратичная зависимость приведенного напряжения сдвига т от плотности дислокаций р, которая может быть записана в следующем виде:

где т0 — напряжение, необходимое для продвижения дислокации через решетку при отсутствии других дислокаций; А — численная константа, равная 0,3/0,6; b — вектор Бюргерса.

Эта зависимость, полученная в результате обработки экспериментальных данных, совпадает с формулами, выведенными из анализа различных моделей деформационного упрочнения.

Так, по Тейлору, предполагавшему, что деформационное упрочнение обусловлено накоплением дислокаций в решетке, получается:

По Зегеру, считавшему, что основным препятствием развитию скольжения при деформационном упрочнении являются образующиеся в результате множественного скольжения своеобразные сидячие дислокации, а блокировка источников определяется обратными напряжениями от групп (или скоплений) из n заторможенных дислокаций:

Модель Бассинского связывает возрастание напряжения течения в результате деформационного упрочнения с увеличением (в процессе развития скольжения) упругого взаимодействия движущихся в плоскости скольжения дислокаций с дислокациями леса, пересекающими данную плоскость:

Мотт и Хирш предположили, что величина напряжения течения при деформационном упрочнении определяется движением порогов на винтовых дислокациях, число которых в свою очередь связано с плотностью дислокаций леса:

По Кульман-Вильсдорф напряжение течения при деформационном упрочнении соответствует напряжению, необходимому для выгибания дислокационной линии между узлами дислокационных сеток (леса):

Константа k, входящая в эти формулы, близка к единице.

Таким образом, для многих металлических кристаллов можно говорить об относительно надежной связи между приведенным напряжением сдвига и Vp. Эта зависимость имеет более ясный физический смысл, чем, например, эмпирическая зависимость Холла — Петча, связывающая предел текучести поликристаллического материала с величиной 1/VD, где D — средний поперечник зерна. Можно показать, что при попытке придать физический смысл уравнению Холла — Петча как раз приходят к зависимости напряжения течения от квадрата плотности дислокаций.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: