Полигонизация при ползучести

До сих пор рассматривались случаи образования субструктуры, определяемые либо деформацией, либо (по классической схеме полигонизации) последовательно деформацией и нагревом. Значительный интерес представляет их одновременное воздействие, т. е. в условиях ползучести, сопровождающейся в ряде случаев интенсивным образованием и ростом субзерен и заканчивающейся формированием отчетливой структуры полигонизации. Ползучесть приводит к получению достаточно четкой субзеренной структуры во всем объеме, если нагружение проводится при температурах около 0,4 TsK.

Как правило, полигонизация в условиях ползучести наблюдается при более низких температурах по сравнению с температурой нагрева после холодной деформации. Строго говоря, полигонизация при ползучести относится к случаю теплой деформации, но рассмотрение ее в этом параграфе представляется целесообразным по методическим соображениям.

Экспериментально установлено (Вуд), что субструктура, возникающая при ползучести, является результатом протекания двух раздельных процессов: 1) деформации, при которой возникают и перемещаются (скользят) дислокации; 2) термически активируемого перераспределения дислокаций с образованием таких их построений, которые обладают низкой энергией.

Полигонизация при ползучести может происходить различными путями. При крупном зерне или больших напряжениях полигонизованная структура будет иметь сложный вид. В частности, встречаются полосы сброса, возникающие при изгибе, большей частью вблизи границ зерен. Эти полосы сброса имеют часто вид полигонов (рис. 72). Кроме того, наблюдаются широкие полосы скольжения, в большей или меньшей степени пересеченные полосами сброса. Внутри этих полос образуется тонкая полигонизованная структура, субграницы которой часто расположены параллельно линиям скольжения в соответствии с моделью, описанной выше для случая полигонизации при деформации с последующим нагревом. Между полосами постепенно вырисовываются контуры сравнительно грубой полигонизации.

При мелком зерне и небольших напряжениях полигонизация в общем случае развивается по всему объему, примерно таким же образом, как это было описано для полигонизации, происходящей между широкими полосами скольжения. В этом случае в начале процесса всегда наблюдается случайное распределение дислокаций. Затем они стремятся собираться в «стенки». Это чаще всего происходит таким образом. Образуются небольшие участки стенок, растущие с двух концов. Вслед за этим происходит их срастание путем собирания в толстые слои. Затем по мере развития ползучести эти толстые слои спрямляются и возникает четкая субструктура. Все эти наблюдения говорят о том, что в процессе затухающей ползучести (стадия I) полигонизация начинается в «расплывчатом» виде и становится все более совершенной и четкой лишь в процессе установившейся ползучести (стадия II). Сопротивление ползучести решающим образом зависит от размера образующихся субзерен.

Полигонизация при ползучести образуется более четко, чем при раздельной деформации и последующем нагреве на ту же температуру. Это можно объяснить совместным влиянием напряжений и температуры на перераспределение дислокаций, приводящее к полигонизации. При нагреве деформированного металла внутренние напряжения являются движущей силой для перемещения и переползания дислокаций. При малой величине этих напряжений полигонизация развивается под влиянием линейного натяжения дислокаций.

При ползучести напряжение действует все время. За каждой дислокацией, обходящей препятствие в результате, например, переползания, следует другая, которая идет таким же путем, и т.д. Само переползание облегчается в связи с воздействием на дислокации (одновременно с температурой) постоянно приложенного напряжения.

Образующиеся в результате ползучести субзерна имеют, как правило, больший угол разориентировки, чем после раздельной деформации и нагрева. Это, по-видимому, связано с тем, что одновременно с нагревом прикладываемое напряжение увеличивает плотность дислокаций в субграницах. Если при осуществлении обычной краевых дислокаций и поперечного скольжения винтовых. Только в этих случаях дислокации могут покинуть свою плоскость скольжения и образовать новые конфигурации.

Таким образом, контролирующим процессом является термически активируемое переползание дислокаций как процесс, требующий более высокой энергии активации. чем поперечное скольжение. Когда во всем объеме металла формируется четкая структура полигонизации, большинство дислокаций будет находиться в границах субзерен, и накопленную энергию следует рассматривать уже как поверхностную энергию этих субграниц. Последняя в данном случае является движущей силой, определяющей рост субзерен, и этот процесс можно считать аналогичным обычному росту зерен, но с учетом того обстоятельства, что поверхности раздела «введены» в металл в результате деформации. Однако детальной модели процесса роста субзерен пока нет.

В соответствии с общими представлениями о миграции малоугловых границ необходимо выделить специальный случай симметричной малоугловой границы наклона. Согласно общим дислокационным представлениям симметричная граница наклона в простейшем случае (см. рис. 4) является «скользящей» поверхностью, которая может перемещаться под влиянием напряжений, не требуя термической активации. Такое ее Движение, предсказанное дислокационной теорией, было экспериментально продемонстрировано Паркером: субграница в бикристалле цинка двигалась под влиянием внешнего напряжения (рис. 73).

При изучении различных простых границ наклона было установлено, что чем меньше угол разориентировки, тем подвижнее граница.

На рис. 74 приведены данные по миграции малоугловой границы при воздействии постоянного напряжения 6 кг/см2 при 350° С.

Кроме того, было отмечено, что с увеличением угла разориентировки простой наклонной границы требуется большее напряжение для ее миграции.

Представляют интерес наблюдения за миграцией малоугловых границ наклона при комнатной и пониженных температурах. С понижением температуры требуется большее напряжение для осуществления миграции границы, а наклон (через границу) уменьшается по мере ее движения. Высказано предположение, что в условиях, когда границам трудно преодолевать встречающиеся на пути их миграции препятствия, они начинают окружать препятствия, при этом теряя часть дислокаций и двигаясь как бы вдоль препятствий (или вместе с ними). Поэтому при этих сравнительно низких (<0,3 TsК) температурах миграция малоугловых границ наклона является прерывистой и не требует существенной термической активации. При высоких температурах угол наклона границы остается постоянным, а ее миграция имеет непрерывный характер при приложении постоянного напряжения.

Предполагается, что неподвижные группировки дислокаций или другие препятствия преодолеваются (обходятся) с помощью термической активации. Скорость, с которой преодолеваются препятствия, определяет подвижность границы; поэтому подвижность зависит от температуры (сообщающей необходимую термическую активацию). Симметричная граница наклона является легко подвижной, поскольку она состоит из единой системы параллельных дислокаций с одинаковым вектором Бюргерса.

Однако большинство малоугловых границ содержит пересекающиеся системы дислокаций или дислокации с различными векторами Бюргерса. Так, например, в процессе деформации, при которой накладываются две системы винтовых дислокаций, лежащие в одной и той же плоскости скольжения, кристалл разделяется субграницей, состоящей из сетки винтовых дислокаций, причем неизбежен поворот обеих частей кристалла относительно друг друга. Образуется субграница, называемая субграницей скручивания, так как вращение происходит вокруг оси, перпендикулярной стенке. При рассмотрении некоторых металлических фольг в электронном микроскопе после сложной деформации (например, изгиб с кручением) и нагрева можно хорошо различить серии переплетенных дислокаций, образующих субзеренные стенки.

Чаще всего сетки имеют вид шестигранников или ромбов (рис. 75). Это означает, что они созданы дислокациями, пришедшими из двух или трех систем скольжения, которые придают стенкам большую устойчивость. В этом случае миграция таких границ в результате простого скольжения дислокаций невозможна. Если подобная граница все же перемещается, то это может произойти только в результате термически активируемого переползания дислокаций. Тогда процесс миграции контролируется в первом приближении энергией активации самодиффузии. Некоторые из таких сложных (по их дислокационному строению) границ, вследствие повышенной плотности дислокаций по сравнению с простыми малоугловыми, приближаются к среднеугловым границам; последние оказываются менее подвижными, чем обычные большеугловые границы. Для этих последних процесс миграции (и рост зерен) определяется облегченными диффузионными перемещениями в сильно искаженных приграничных объемах.

Таким образом, имеется следующее на первый взгляд парадоксальное положение: простейшие малоугловые границы наклона способны к быстрой миграции, но их подвижность уменьшается при увеличении разориентации через границу (при возрастании плотности дислокаций в границе). Большинство других границ, приближающихся по плотности дислокаций к среднеугловым, имеют малую подвижность, которая, однако, будет возрастать с увеличением разориентировки (т. е. при приближении такой границы к большеугловой). Зависимость интенсивности миграции границ от их характера (например, строения, плотности дислокаций в них) объясняет расхождения в различных экспериментах по определению относительной подвижности разных границ. Отмеченное выше влияние приложенного напряжения на рост субзерен, вероятно, определяется вкладом миграции некоторых типов простых малоугловых субграниц под влиянием напряжений, а также облегчением поперечного скольжения, в результате которого может облегчаться миграция и более сложных субграниц.