5.2.3. Дисперсионное упрочнение

Поле сил Fст , рассчитанное по потенциалу (2.1), окажется искажённым также на границе зёрен поликристалла и на границе металла с неметаллическим включением; вещество в слое порядка 10 мкм около этих границ получится по расчёту упрочнённым при низких температурах и размягчённым - при высоких, при Т > 0,4Тпл. Правда , скачок свойств, поверхностное натяжение и, соответственно, упрочнение металла на межзёренной границе получаются значительно меньше, чем на границе металл-газ. Граница металла с неметаллическим включением обычно имеет промежуточные значения упрочнения.

Действительно, низкотемпературная прочность металла растёт при измельчении зёрна, а также при введении в металл неметаллических включений; эти факты лежат в основе распространённых способов упрочнения металла. Максимальное упрочнение достигается при измельчении зёрна до величины L порядка коллоидного параметра, L  10 мкм. На рис 5.1. кривые 5,6 передают повышение прочности сплава при измельчении зерна, а кривая 7 - повышение модуля упругости чугуна при измельчении включений графита. Из рисунка видно, что эти кривые имеют тот же вид, и тот же характерный размер, как и кривые масштабного фактора прочности; они подобны кривым нарастания вязкости в пленке и другим эффектам дальнодействия. Очевидно, все эти явления имеют общую причину - тот факт, что эффекты, стабилизирующие структуру, имеют большой радиус дальнодействия, R  L. Чтобы получить в модели затвердевание, приходится вводить подобную дальнодействующую поправку Fст к потенциалу (глава 2); очевидно, перечисленные явления дальнодействия связаны с Fст и получают общее единообразное объяснение.

Рис. 4.12 иллюстрирует обратное явление - разупрочнение металла (алюминия) при измельчении зерна примерно в том же диапазоне размеров; при Т > 0,4Тпл модуль сдвига у поликристаллического алюминия оказывается значительно меньше, чем у монокристалла. Очевидно, это - "кинетический" модуль сдвига, зависящий от скорости нагружения. Наибольшее разупрочнение достигается в том случае, когда измельчением зерна до  10 мкм сплав переводится в состояние сверхпластичности [152].

В качестве примера дисперсионного упрочнения молекулярного вещества можно привести следующий факт: при добавке в лёд мелких частиц глины его прочность возрастает в несколько раз по сравнению с чистым льдом; в экспериментах [172] произошло такое упрочнение льда в 5-6 раз. Рассмотрим упрочнение железа включениями углерода. Чистое железо - весьма мягкий материал; в виде монокристалла оно имеет низкий предел прочности порядка 1 кгс/мм2 [171]. Если как-то ввести в такой монокристалл 1 % крупных (1 мм) включений углерода, то, очевидно, прочность матрицы и всего образца практически не изменится. Но если тем или иным способом измельчить эти включения до величин коллоидных размеров (10 мкм), мы получим материал типа стали (при 1 % С) или чугуна (при 4 % С) с пределом прочности  в 50-70 раз больше, чем у исходного чистого железа: 50-70 кгс/мм² [173].

Результат рассуждений не изменится качественно от того, будем ли мы считать матрицу чистым железом или насыщенным раствором углерода в железе; максимальная растворимость углерода в твёрдом железе составляет лишь 0,023 % даже при 1200 ^oС и пренебрежительно мала при комнатных температурах. Для поликристаллического технически чистого железа = 25 кгс/мм² [173].

Приведённый мысленный эксперимент отражает, очевидно, то же самое явление, как и превращение жидкотекучей взвеси в вязкий клей или прочный студень при диспергировании взвеси, рассмотренное выше. Слои железа, прилегающие к включениям углерода, упрочняются на глубину порядка коллоидного параметра L  10 мкм. Если включения мелкие, то упрочненные прилегающие слои перекрываются и заполняют весь объём сплава; механические свойства всего образца соответствуют свойствам этих слоёв.

Алюминий и его сплавы упрочняют введением частиц Al₂O₃. При 4% Al₂O₃ твёрдость металла возрастает с 37 НВ до 60 НВ, а при 9% - до 100 НВ [169]. Введением частиц Al₂O₃ упрочняют также медные сплавы. Применяется упрочнение сплавов включениями корундов, шпинелей, нитридов, карбидов, окислов и др. [169].

Распространено представление, что дисперсные частицы упрочняют матрицу, образуя барьеры для перемещения дислокаций; последние должны скапливаться около включений. Если бы наблюдалось, наоборот, разупрочнение, размягчение металла под действием включений, мы его также легко объяснили бы, например, тем, что поверхности включений при деформации являются источниками дислокаций. Распределение дислокаций было тщательно изучено на модельной системе - на серебре со включениями MgO, а также для меди с частицами Al₂O₃. Предположение о скапливании их у поверхности включений не подтвердилось; выяснилось, что они равномерно распределены по всей матрице, причём их концентрация оказалась значительно выше, чем в чистых металлах, а подвижность - ниже [169]. Последнее согласуется с представлением об изменении кинетических свойств вещества в околоповерхностных слоях.

Нередко считается, что прочность упрочненного сплава является некоторой средней между прочностями матрицы и включений. Для упрочнения сплавов обычно подбирают включения с высокой собственной прочностью и твёрдостью: корунд, карбиды и др. Недостаточно осознано то, что ещё большее упрочнение могут дать включения, сами по себе мягкие, и даже пузырьки газа. Действительно, действие "масштабного фактора", то есть упрочнение поверхностями металл - газ часто приблизительно на порядок величины превосходит эффект дисперсионного упрочнения; удельная прочность микронных нитей и усов выше, чем у дисперсно-упрочнённых сплавов, например, на порядок величины. Если как-то приготовить металлический "пенопласт" с размером пузырьков до 10 мкм и толщиной стенок в несколько микрон, то получится, очевидно, материал, значительно превосходящий по удельной прочности дисперсно-упрочнённые сплавы и к тому же намного легче их.

Этот же принцип упрочнения поверхностями раздела реализуется в самых современных и самых прочных материалах космической техники - углепластиках на основе тонких углеродных волокон, в стеклопластиках.

Интересен вопрос о критическом размере r включений, который отделяет малые включения или микропустоты, упрочняющие металл, от больших, "надрезывающих" матрицу и ослабляющих металл. Традиционный подход практически не даёт способов определения этого критического размера r. В предлагаемой модели r - это радиус дальнодействия стабилизирующих сил R или коллоидный параметр L, отделяющий коллоид от взвеси. Микропустота или микротрещинка размером меньше R не приведёт к значительному уменьшению величины Fст в прилегающем металле, рассчитанной с помощью потенциала (2.1), а местные искажения поля Fст приведут даже к упрочнению материала. Через трещинку или зазор шириной меньше R сохраняется Fст - взаимодействие стенок без большого ослабления по сравнению с подобным взаимодействием в сплошной среде.

Эксперимент подтверждает эти представления. Трещины или включения меньше 5 мкм в металловедении не относятся к опасным элементам структуры стали; они не ослабляют металл. Минимальный размер включений, около которых зафиксировано зарождение трещин разрушения, составляет 6-11 мкм [173]. Отсюда следует также, что необходимо внести соответствующие коррективы в классический расчёт прочности по Гриффитсу [170] при распространении хрупкой трещины. Параметр дальнодействия, применяемый при выводе формулы Гриффитса, следует увеличить на 3-4 порядка величины. Если по Гриффитсу опасны все трещины, то в действительности малые трещины упрочняют металл. Опасны и ослабляют металл лишь трещины и включения, размер которых превышает коллоидный параметр: L  10 мкм, r  (6-11) мкм.

Реальный размер включений, получающихся в результате химического взаимодействия, определяется в основном концентрацией реагентов (например, алюминия и кислорода, дающих Al₂O₃). Наибольший упрочняющий эффект достигается при размере упрочняющих частиц 0,01- 0,05 мкм. Включения способствуют также измельчению зерна матрицы примерно до 1 мкм, что также ведёт к упрочнению; зерно чистого металла методами металловедения удается измельчить лишь до величины порядка L  10 мкм.

Отметим ещё, что дальнодействующие стабилизирующие структуру эффекты проявляются также в процессах поверхностного упрочнения. Поверхностные слои изделий из мягкой стали насыщают, например, углеродом или бором с целью увеличить износостойкость деталей, повысить поверхностную твёрдость. По традиционным представлениям, для изменения механических свойств поверхности достаточно изменить химический состав нескольких внешних монослоёв металла; в дальнейшем прочность детали будет аддитивно складываться из прочности изменённых и неизменённых слоёв. В предлагаемой модели поверхность приобретёт свойства слоя с особыми механическими свойствами лишь после насыщения слоя 10 мкм. Действительность ближе ко второму предположению [169], причём выявляется ещё ряд необычных нетривиальных закономерностей роста прочности при увеличении толщины изменённого слоя. Как и вязкость в пленке, прочность насыщаемого добавкой околоповерхностного слоя может расти немонотонно с увеличением его толщины.