7.2 Деформационное упрочнение

Для анализа характера упрочнения металлов в процессе деформации воспользуемся приведенной диаграммой растяжения, рис.37.

Согласно этой диаграммы модно выделить три характерных стадии, отвечающих трем стадиям упрочнения. Объяснение упрочнению в процессе деформации представляется возможным на основании анализа взаимодействия дислокаций. Величина эффекта упрочнения в сильной мере зависит от типа кристаллической решетки. Экспериментально показано, что деформационное упрочнение металлов с гексагональной решеткой меньше чем металлов с кубической решеткой. Объяснением этому является тот факт, что у металлов с гексагональной решеткой число плоскостей легкого сдвига меньше, чем у металлов с кубической решеткой.

Увеличение числа систем легкого сдвига приводит к скольжению дислокаций в пересекающихся плоскостях и направлениях, что способствует взаимодействию дислокаций с образованием сложных конфигураций и эффективных барьеров, препятствующих движению дислокаций.

Степень упрочнения металлов при деформации может быть представлена в виде уравнения:

, где:

ε – степень деформации;

τ – напряжение;

h – коэффициент упрочнения;

m – константа, равная ~1 для металлов с гексагональной решеткой и ~2 для металлов с кубической решеткой.

Величина коэффициента упрочнения „h” в сильной мере зависит также от температуры деформации. С повышением температуры она понижается и более сильно для металлов с гексагональной решеткой.

I стадия деформационного упрочнения, рис.37 характеризуется незначительным упрочнением. Объясняется это тем, что на этой стадии деформация осуществляется в основном путем скольжения дислокаций вдоль единичных плоскостей наилегчайшего сдвига. На поверхности полированных образцов наблюдаются тонкие линии сдвига, расположенные на расстоянии 20 – 30 мкм друг от друга. С увеличением степени деформации увеличивается плотность линий сдвига. На первой стадии деформация протекает в основном вдоль плоскостей, в которых нет препятствий движению дислокаций, а, следовательно, нет фактора способствующего накоплению дислокаций и упрочнению.

По мере исчерпывания таких плоскостей в действие вступают другие плоскости, менее ориентированные с направлением действия напряжений. Развитие деформации по пересекающимся плоскостям способствует созданию эффективных препятствий движению дислокаций. Возникновение таких препятствий приводит к увеличению плотности дислокации, что способствует повышению сопротивления деформации и началу II стадии упрочнения.

На этой стадии коэффициент упрочнения „h” возрастает по сравнению с первой стадией и остается примерно одинаковым на протяжении IIстадии.

Возникновение пересекающихся дислокаций, движущихся по пересекающимся плоскостям приводит к образованию порогов на дислокациях, увеличивающих длину дислокации. Это можно представить в виде схемы, рис.38.

Дислокация АВ движется в направлении Д в плоскости „х”. При пересечении дислокации АВ с дислокацией СF лежащей в плоскости „Y”, на дислокации CF образуется порог ab. Образование порога ab на дислокации CF привело к увеличению ее длины и затруднению ее движения.

Наряду с этим упрочнение на второй стадии возможно и за счет плоского накопления дислокаций у препятствий. Но этот фактор упрочнения свойствен лишь небольшому числу металлов и сплавов (нержавеющие стали, латуни и др.). В большинстве случаев не наблюдается плоских скоплений дислокаций (Ni, Cu, Ag, Au, Fe и др.), а также нет признаков достаточно длинных барьеров Ломера-Коттрелла, которые способны удерживать большие скопления дислокаций. Чаще всего пересечение дислокаций приводит к образованию сложной ячеистой структуры. При этом сопротивление деформации на второй стадии пропорционально плотности дислокаций „ ”:

, где:

G – модуль сдвига

b – вектор Бюргерса

к – Const (к=1 для винтовых дислокаций и к=1 – ν для краевых дислокаций)

- плотность дислокаций на границах ячеек.

Образующиеся на второй стадии конфигурации дислокаций мало зависят от температуры и скорости деформации. Однако, при относительно высоких напряжениях и температурах возможны изменения в распределении дислокаций. Дислокации могут огибать препятствия друг с другом. Взаимодействие дислокаций разных значений может привести к их аннигиляции, уменьшению поля напряжений вокруг дислокаций и уменьшению коэффициента упрочнения. Это является началом III стадии упрочнения.

На III стадии параллельные линии скольжения соединяются между собой поперечными линиями, что должно способствовать развитию поперечного скольжения и преодолению барьеров, возникающих на II стадии.

На III стадии происходит перераспределение дислокаций, называемое динамическим возвратом. Энергия активации динамического возврата зависит от величины напряжения, под действием которого может начаться работа источника Франка-Рида. В результате работы источника Франка-Рида произойдет образование новых подвижных дислокаций, приводящих к разупрочнению.