1 Способы повышеня прочности металлов и сплавов.Твердо-растворное упрачнение, фазовый и деформационный наклеп

Физической основой создания высокопрочного состояния конструкционных материалов является представление о том, что повышение прочности обусловлено снижением способности твердых тел к пластической деформации. Поскольку пластическая деформация осуществляется посредством движения дислокаций, то необходимо в материале реализовать такие условия, которые блокировали бы или тормозили перемещение дислокаций в объеме твердого тела. Главным препятствием для движения дислокаций являются внутренние искажения кристаллической решетки, созданные атомами растворенных примесей, зонами Гинье-Престона, частицами выделений второй фазы, а также другими дислокациями или их группировками.

Торможение дислокаций вызывает повышение сопротивления металлов и сплавов деформированию. Отсюда следует, что в сплаве необходимо сформировать такую структуру, которая минимизирует подвижность дислокаций и, как следствие повысит его прочность. Известны два основных способа создания упрочненного состояния материала:

- твердорастворное легирование – за счет повышения энергии связи в кристаллической решетке за счет более сильного взаимодействия атомов основного и легирующего компонентов А-В по сравнению с А-А и В-В, что затрудняет элементарный акт начала движения дислокаций;

- легирование с выделением второй фазы – за счет задержки движения дислокаций, перекрывая дислокации путь скольжения и создавая вокруг себя поля упругих напряжений.

Твердорастворное упрочнение

При легировании металлов растворимыми добавками наблюдается повышение всех прочностных характеристик. В частности, предел текучести поликристаллических сплавав - твердых растворов замещения прямо пропорционален концентрации легирующего элемента до 10-30% (ат.). На рисунке 11.1 показаны, в качестве приме­ра, зависимости условного предела текучести σ_т твердых растворов на основе меди от содержания добавки. Для твердых растворов замещения характерна линейная зависимость прочности от концентрации легирующего элемента, а для твердых рас­творов внедрения на основе о. ц. к. металлов чаще ха­рактерна пропорциональность предела текучести корню квадратному из кон­центрации. Важно подчерк­нуть, что, зная концентра­ционные зависимости пре­дела текучести двойных сплавов, можно с достаточно высокой точностью (при отсутствии упорядочения) рассчитывать предел текучести малолегиро­ванных многокомпонент­ных твердых растворов, ис­пользуя правило аддитивно­сти.

Наиболее важными для теории легирования являют­ся вопросы механизма упрочнения и целенаправленного выбора легирующих элементов, дающих наибольший прирост прочностных свойств.

Повышенная прочность сплавов - твердых растворов по сравнению с чистыми металлами обусловлена:

1) увеличением сил трения при движении дислокаций;

2) образованием примесных атмосфер;

3) изменением дислокационной структуры при легировании.

Эти различия определяют три основных механизма твердорастворного упрочнения.

1) Существует несколько причин увеличения сил трения при движении дислокаций:

- Упругое взаимодействие скользящих дислокаций с ра­створенными атомами. Последние можно разделить на две большие группы: вызывающие вокруг себя искажения кристаллической решетки с шаровой симметрией (например, атомы элементов замещения) и вызывающие тетрагональные искажения решетки (например, атомы внедрения в металлах с о. ц. к. решеткой). Растворенные атомы, вызывающие тетрагональные искажения, приводят к возникновению больших упругих напряжений. В результате прирост сил трения и, соответственно, напряжений течения оказывается значительно больше, чем при введении атомов, вызывающих искажение ре­шетки с шаровой симметрией.

- Величина упругих искажений решетки определяется также разницей в атомных размерах растворителя и до­бавки. Чем больше эта разница, тем сильнее прирост со­противления движению дислокаций.

– Разница валентностей основного и легирующего компонентов (один по отношению к другому становится более электроотрицательным) вызывает усиление металлической связи и замедление скорости движения дислокаций. Чем больше разница в валентностях, тем сильнее электростатическое взаимодействие. По рас­четным оценкам оно составляет около 20% упругого взаимодействия

2) Образование примесных атмосфер (Котрелла, сузуки. Снука) на дис­локациях - действует в большинстве случаев лишь на начальных стадиях пластической деформации и влияет в основном на пределы упругости и текучести. Однако если при растяжении в образце идет динамическое де­формационное старение, то механизм закрепления дис­локаций примесными атмосферами может «работать» вплоть да поздних стадий деформации, обуславливая, в частности, прирост предела прочности.

Большое влияние оказывают примеси внед­рения, образующие атмосферы Котрелла, на предел текучести о. ц. к. металлов. В твердых растворах с г. ц. к. и г. к. решетками важное значение имеет закреп­ление растянутых дислокаций атмосферами Сузуки, возникающими из-за разницы в растворимости легирующего элемента в дефекте упаковки и окружающей его матрице. Если коттрелловские атмосферы «размываются» при относительно низких температурах (часто <0,3-0,4 Т_пл.), то атмосферы Сузуки сохраняются вплоть до 0,5 - 0,55 Т_пл. Они, соответственно, обеспечивают прирост прочностных характеристик в более широком интервале тем­ператур испытания.

3) Влияние легирования на дислокационную струк­туру может существенно сказываться на энергии дефекта упаковки в твердых растворах (обычно снижать ее). Наблюдающееся в ре­зультате этого затруднение поперечного скольжения вносит определенный вклад в прирост характеристик прочности, особенно на поздних стадиях деформации. Легирование, вызывая, блокировку дислокаций, уве­личение сил трения, изменение энергии дефекта упаков­ки, естественно приводит к формированию иных дислока­ционных структур во время растяжения. В результате на­блюдается определенное изменение механических свойств, связанное с влиянием собственно субструкту­ры.

Ме­ханизмы упрочнения часто действуют совместно и в большинстве случаев трудно количественно оценивать вклад каждого из них в общее упрочнение. Однако даже качественный анализ этих механизмов позволяет наметить прин­ципиальные критерии выбора легирующих элементов для получения максимального твердорастворного уп­рочнения. К таким критериям можно отнести:

1) величину растворимости легирующего элемента в основе (прочностные свойства растут с увеличением легированности);

2) способ растворения атомов добавки (замещение или внедрение); .

3) разницу в атомных размерах добавки и основы;

4) разницу в валентностях легирующего элемента и растворителя;

5) разницу в упругих константах основы и добавки (чем больше эта разница, тем значительнее прирост прочностных характеристик).

При создании высокопрочных сплавов легирующие элементы стремятся выбрать таким образом, чтобы в максимальной степени использовать все перечисленные критерии. Однако сделать это на практике затрудни­тельно. Например, создание сильнолегированных твер­дых растворов внедрения невозможно из-за низкой раст­воримости элементов внедрения в металлах и высокой хрупкости растворов внедрения. Следует отметить, что вообще сильное твердорастворное упрочнение часто соп­ровождается снижением характеристик пластичности, по­скольку существенное ограничение подвижности дисло­каций должно вызывать уменьшение производимой ими деформации.

Повышенная прочность твердых растворов по срав­нению с металлом - основой сохраняется лишь до тем­ператур испытания не выше 0,5-0,55 Т_пл. При более высоких температурах разница в их прочностных харак­теристиках нивелируется, так как блокировка и тормо­жение движущихся дислокаций растворенными атома­ми здесь уже не эффективны. Дополнительным фактором упрочнения металлов и сплавов является измельчение зерна, что способствует повы­шению не только прочностных. но и пластических характеристик. Уп­рочнению способствует также повышение плотности дис­локаций, создание полигонизованных структур. В деформированных металлах и сплавах, для кото­рых характерно наличие текстуры, механические свойст­ва образцов, вырезанных и растягиваемых при испыта­нии вдоль направления деформации (прокатки, прессования), обычно выше, чем в поперечном направлении.

Влияние выделений избыточных фаз

Выделения избыточных фаз обеспечивают сохранение высокой прочности до предплавильных температур, что лежит в основе разработки жаропрочных сплавов. Степень упрочнения сплава зависит от следующих факторов:

- свойств и структуры основной и избыточных фаз;

- их связи со структурой матрицы;

- формы и размера частиц;

- расстояния между ними;

- характера распределения в матрице.

В общем случае максимальное упрочнение может быть достигнуто в следующих случаях:

- вторая фаза когерентна или полукогерентна матрице;

- дисперсна и равномерно распределена в объеме сплава;

- имеет высокую собственную прочность;

- расстояние между ее частицами мало.

Большая часть этих условий реализуется при дисперсионном и дисперсном упрочнении сплавов. В соответствии с этими механизмами упрочнения различают два вида сплавов- дисперсионно-твердеющие и дисперсно-упрочненные.

Дисперсионное упрочнение, или твердение, достигает­ся при старении (отпуске) в результате распада образо­вавшегося после закалки пересыщенного твердого рас­твора (метастабильной фазы). Аналогичный эффект мож­но получить в результате внутреннего окисления, при котором диффундирующий в образец при окислительном отжиге кислород взаимодействует с химически активными легирующими элементами, образуя равномерно распределенные в объеме дисперсные выделения окислов.

Дисперсное упрочнение реализуется в порошковой металлургии, когда к металлу-основе добавляют порошок заранее приготовленной фазы-yпрочнителя, не взаимодействующей с матрицей (например, ThО₂ к вольф­раму). Затем эту смесь порошков подвергают, обработке и получают материал, структура которого состоит из зерен матрицы с равномерно распределенными в ней включениями избыточной фазы. Дисперсионно- и дис­персноупрочненные материалы обладают, как правило, более низкой пластичностью, чем неупрочненная матрица.

Основой механизма упрочнения сплавов за счет частиц из­быточных фаз заключается в том, что эти частицы пересекают плоскости скольжения дислокаций матрицы и препятствуют их перемещению. Если частицы дисперсны, близко расположены друг от друга и когерентны матрице, то дислокации могут проходить через них - происходит «перерезание» частиц (рисунок 11.2а). Если же частицы некогерентны матрице, и достаточно далеки друг от друга, то дислокации «проталкиваются» между ними, оставляя петли вокруг час­тицы.

Наклёп (нагартовка) — упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знак