Сл.27. Природа упрочнения при старении
Упрочнение при старении – результат торможения дислокаций теми выделениями, которые образовались при распаде пересыщенного твердого раствора. Можно указать три главные причины упрочнения: 1) торможение дислокаций полем упругих напряжений в матрице вокруг выделений; 2) «химическое» упрочнение при перерезании выделений дислокациями; 3) упрочнений при обходе частиц дислокациями.
1) Поле упругих напряжений неизбежно возникает в матрице при образовании когерентных и полукогерентных выделений, так как когерентность решеток обеспечивается упругой деформацией их около границы раздела. Величина упругих напряжений тем больше, чем больше размерное несоответствие структуры матрицы и выделения, выше модуль упругости матрицы и больше площадь когерентной границы. Для продвижения дислокаций через упругодеформированную матрицу требуется приложить напряжение, превышающее среднее напряжение поля упругих деформаций вокруг выделений. Соответствующее упрочнение является результатом дальнодействующего влияния выделений на дислокации.
2) «Xимическое» упрочнение – результат ближнего взаимодействия дислокаций и выделений, когда дислокации проходят через выделения, как бы перерезают их, и выделения деформируются вместе с матрицей.
Решетка выделения не идентична решетке матрицы, даже если речь идет о полностью когерентном выделении. Поэтому дислокация, входящая со своим вектором Бюргерса в выделение, нарушает укладку атомов вдоль плоскости скольжения. Чем больше отличается строение выделения в плоскости перерезания от строения матрицы в этой же плоскости, тем сильнее нарушение укладки атомов внутри выделения и тем выше требуется напряжение для перерезания выделений дислокациями.
Модуль сдвига выделения обычно больше, чем у матрицы. Чем жестче выделение, тем труднее дислокации его перерезать.
Еще одна причина торможения дислокаций – образование выступов на перерезанном выделении и соответственно увеличение его поверхности, с которой связан избыток энергии.
3) Упрочнение при обходе частиц дислокациями возникает тогда, когда дислокации не перерезают выделения. Один из способов обхода – «проталкивание» дислокаций между выделениями. Для проталкивания необходимо повысить приложенное напряжение, чтобы выгнуть дислокацию между выделениями.
Критическое напряжение проталкивания обратно пропорционально расстоянию l между выделениями:
τкр = Gb/l,
где G – модуль сдвига матрицы;
b – вектор Бюргерса дислокации.
Другой способ обхода выделений – поперечное скольжение. Напряжение, необходимое для преодоления препятствий этим способом, уменьшается с повышением температуры. Переползание дислокаций при повышенных температурах также помогает им обходить выделения.
Влияние продолжительности и температуры старения на механические свойства сплавов
В наиболее общем случае предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (см. кривые Т2 и Т3).
Старение до достижения максимума прочностных свойств (восходящая ветвь кривых) называют упрочняющим, а правее максимума (нисходящая ветвь) – разупрочняющим старением или перестариванием. По сравнению с исходным закаленным сплавом (начальная точка на оси ординат) перестаренный сплав может быть значительно прочнее.
Упрочнение с увеличением времени старения на восходящей ветви кривых может быть вызвано разными причинами. Во-первых, возможны случаи, когда на стадии упрочняющего старения плотность выделений столь велика, что дислокации не могут обходить выделения и перерезают их (при достаточно большом приложенном напряжении).
Во-вторых, возможны случаи, когда на стадии упрочняющего старения дислокации проталкиваются между выделениями. В этих случаях рост прочностных свойств с увеличением продолжительности старения обусловлен увеличением плотности выделения при развитии распада и соответственно ростом критического напряжения проталкивания дислокаций.
В перестаренном сплаве дислокации не перерезают выделения, а только обходят их при напряжениях меньше тех, которые необходимы для перерезания.
Снижение прочностных свойств при переходе от упрочняющего старения к перестариванию может быть вызвано несколькими причинами. Одна причина – увеличение расстояний между ранее образовавшимися выделениями из-за их коагуляции. Другая причина – замена менее стабильных выделений более стабильными, характеризующимися меньшим числом частиц в единице объема матрицы. Третья возможная причина перестаривания – уменьшение или исчезновение поля упругих напряжений в матрице при замене когерентных выделений сначала полукогерентными, а затем и некогерентными.