Зернограничное упрочнение

Границы зерен служат препятствиями для движения дислокаций. Если в зерне с благоприятной ориентировкой достигается напряжение, необходимое для работы источника дислокаций, раньше, чем в соседнем кристалле, тогда в благоприятно ориентированном зерне происходит вначале движение, а затем и скопление дислокаций, пришедших к границе зерна. Возникающие поля напряжений накладываются на внешние: это может привести к тому, что в соседних зернах будет достигнуто напряжение текучести. Таким способом распространяется пластическая деформация в соседние зерна. Процесс затрудняется, когда размер зерна уменьшается, число скопившихся на границах зерен дислокаций уменьшается, уменьшаются поля напряжений, но главное — увеличивается набор разориентировок зерен, что суммарно делает границы более эффективным препятствием.

Повышение прочности оценивается по соотношению Холла-Петча – эмпирическому соотношению между размером зерна и пределом текучести для поликристаллических материалов (зависимость справедлива только для чистых металлов или сплавов без субструктуры и без вторых фаз).

σ_т = σ_o+k d^-1/2,

где σ_т — предел текучести; σ_o — напряжение трения решетки (напряжение начала движения дислокации, когда d — диаметр зерна → ∞ → переход в монокристалл); k – константа (учитывающая влияние структуры границ зерен, степени закрепления дислокаций, легирования).

Деформационное упрочнение

Деформационное упрочнение (наклеп, нагартовка) металлов – непрерывное повышение приведенного напряжения сдвига по мер увеличения пластической деформации. Наклеп характеризуется кривой деформационного упрочнения (рис.16).

Рис. 16.

Можно выделить три характерных участка:

- 0a – соответствует упругой деформации;

- ab – стадия слабого упрочнения. Происходит легкое скольжение дислокаций в системах скольжения с максимальным фактором Шмида cosφcosα=0,5. Торможения дислокаций нет. Для поликристаллических материалов эта стадия отсутствует, т.к. дислокации тормозятся на границах зерен. Плотность дислокаций в т. b составляет 10⁷-10⁸ см^-2.

- bc – стадия значительного упрочнения. Происходит множественное скольжение дислокаций в системах с фактором Шмида менее 0,5, их пересечение, образование порогов, диполей, генерация дислокаций источниками Франка-Рида, повышение их плотности до 10¹¹-10¹² см^-2.

-cd – динамический возврат. По мере увеличения напряжения винтовые дислокации начинают совершать поперечное скольжение, обходя препятствия. Наблюдается снижение коэффициента упрочнения. Точка d соответствует моменту зарождения трещин в металле.

Деформационное упрочнении широко используется для получения высокопрочной проволоки с содержанием 0,8-0,9 % С. Структура стали должна представлять собой феррито-карбидную смесь тонко пластинчатого строения. Такая структура может быть получена методом патентирования.

Холоднодеформированная патентированная проволока широко используется для изготовления пружин, в которых применяют деформационное старение для повышения предела текучести (предела упругости) и релаксационной стойкости.

Проволока особо высокой прочности (>3500 МПа) примениется для изготовления тросов, прядей и других изделий, работающих в основном при осевых нагрузках.

Следует отметить, что нагартовку не считают эффективным способом повышения жаропрочности чистых металлов. В металлах технической чистоты при температурах выше (0,3...0,35) Т_пл интенсивно развивается полигонизация, а выше (0,35...0,45) Т_пл – рекристаллизация, вызывающие снятие нагартовки.