1.7.2 Вплив програмного навантажування на властивості матеріалу

Оскільки основним механізмом зміцнення при програмному навантажуванні є взаємодія дислокацій з крапковими дефектами і їх комплексами, то можна було чекати, що створення нерівноважної концентрації крапкових дефектів або їх безперервне генерування повинні збільшувати ефекти програмного зміцнення. Дійсно, експерименти із загартованими і опроміненими металами, сплавами, схильними до старіння, а також експерименти, що поєднують програмне навантажування з термоциклуванням, ультразвуковим впливом, підтвердили це припущення.

Програмне зміцнення загартованих чистих металів

Висока дифузійна рухливість вакансій в загартованих металах і їх активна взаємодія зі свіжими дислокаціями дозволили істотно підвищити ефект гартівного зміцнення чистих металів. Для цього виявилося необхідним використання механіко-термічної обробки загартованих металів, яка полягає в тому, що після гарту з передплавильних температур проводиться пластична деформація на малий ступінь і подальше старіння при відносно низьких температурах. Гарт з передплавильних температур в цьому випадку використовується для створення високої концентрації крапкових дефектів в металах, а подальша деформація на малий ступінь (0,2-0,6%) в температурній області незначної дифузійної рухливості і відпал - для енергетично вигідного перерозподілу гартівних дефектів і створення термічно стійкої дефектної структури [14].

Програмне зміцнення опромінених металів

Оскільки при опромінюванні можна отримати скільки завгодно високі концентрації крапкових дефектів, то відкривається можливість підвищення ефекту зміцнення і скорочення циклу програмного навантажування за рахунок поєднання радіаційного впливу і механічного навантаження. На деяких металах була показана висока ефективність зміцнення опромінених зразків при програмному навантажуванні. Програмне навантажування зразків нікелю, міді, алюмінію, титану після опромінювання високоенергетичними електронами, нейтронами підвищує межу текучості у декілька разів при збереженні ресурсу пластичності металів.

При радіаційно-термомеханічній обробці роль опромінювання полягає в створенні нерівноважної концентрації крапкових дефектів, а подальшого відпалу під навантаженням - в направленому перерозподілі дефектів решітки в енергетично вигідне положення.

Зміцнення металів при поєднанні статичного навантаження і ультразвукових коливань

Ультразвуковий вплив є одним з ефектних методів досягнення високої концентрації крапкових дефектів і щільності дислокацій. Залежно від інтенсивності звукових коливань в кристалах можливі різні структурні зміни, що впливають на їх фізико-механічні властивості як в процесі ультразвукової обробки, так і після її припинення. Пропускання ультразвукових коливань через кристал збільшує енергію дислокацій, активує джерела дислокацій. В результаті цього при поєднанні статичного навантаження і ультразвукового впливу спостерігається істотне зниження опору деформації кристалічних тіл, а при випробуваннях після інтенсивної ультразвукової обробки матеріалів унаслідок зростання щільності дефектів решітки - значне зростання межі текучості.

Поєднання програмного навантажування і ультразвукового впливу дозволяє істотно збільшити ефект дифузійної мікрозсувної релаксації напруги в кристалах. Ультразвук при цьому використовується не тільки як спосіб генерування крапкових дефектів, але й як чутливий індикатор слабких місць в кристалі.

Теоретичні і експериментальні дані досліджень впливу температури і швидкості навантажування, структурного стану кристалів і інших чинників на процеси зародження і розвитку елементарних актів пластичної деформації, опір руху дислокацій в реальних кристалах, формування дефектної структури, зміна дисперсії розподілу потенційних бар'єрів і профілю поля внутрішньої напруги в кристалах дозволяють виділити два типи зміцнення кристалічних тіл: дислокаційно-субструктурне зміцнення і дифузійно-дислокаційне зміцнення.

Діслокаційно-субструктурний механізм зміцнення здійснюється при одно- і багаторазовому деформуванні кристалів до значних ступенів деформації з подальшим дорекристалізаційним відпалом. Сприятливими умовами для прояву цього механізму зміцнення є низькі температури і високі швидкості деформації.

Дифузійно-дислокаційний механізм зміцнення істотну роль грає при малих швидкостях навантажування, наявності в об'ємі нерівноважної концентрації крапкових дефектів, градієнтів хімічного і механічного потенціалів.

Виходячи з сучасних уявлень про дефекти кристалічної будови і наявності різних елементів пластичної деформації, теоретично обґрунтований і експериментально доведений принципово новий напрямок у вирішенні проблеми досягнення зміцненого, механічно рівномірного стану матеріалів, названого програмним зміцненням кристалічних тіл. Воно полягає у відпалі, відпуску, старінні матеріалів або виробів з них в умовах програмної зміни термічного, механічного, радіаційного і інших видів обробки з урахуванням швидкості і ступеня протікання фізичних процесів, що формують комплекс властивостей зміцнюваних об'єктів. Інтенсивність теплової, механічної, радіаційної активацій повинна, з одного боку, сприяти виявленню спектру слабких місць в об'ємі і на поверхні матеріалів, з іншого – відповідати швидкості їх зміцнення і заліковуванні порушень суцільності без руйнування.

Дослідження фізико-механічних властивостей і структурних змін кристалічних тіл в процесі і після програмного навантажування виявили наступні основні механізми, відповідальні за підвищення структурної досконалості, поліпшення комплекса властивостей матеріалів, програмно-навантажених в макропружній області деформацій: зміна індивідуальних властивостей (стартової напруги, середньої довжини вільних сегментів, швидкості руху, ступеня розщеплювання і конфігурації дислокацій); зниження загальної щільності рухомих дислокацій завдяки відходу на границі розподілу і взаємодії з крапковими дефектами їх комплексами і один з одним; перерозподіл дислокацій в місцях їх скупчень і релаксація напруги в області структурної і фазовою неоднорідності унаслідок протікання мікрозсувних і дифузійних процесів.

Необоротні процеси перерозподілу дефектів в енергетично вигідні положення і мікропластичність в місцях локальних перенапружень при програмному навантажуванні призводять до зниження внутрішньої енергії системи, підвищення пружних характеристик, стриманню схильності до крихкого руйнування матеріалів. До основних особливостей програмно-зміцнених металів і сплавів відносяться підвищений ступінь механічної однорідності структури, що забезпечує зниження анізотропії опору деформації і поєднання високоміцного стану з поліпшенням пластичних характеристик матеріалів; стійкість структури по відношенню до ефектів релаксації напруги, повзучості, рекристалізації.

Дослідження поведінки окремих дислокаційних петель, двійникових прошарків при знакозмінному навантаженні кристалів, характеру впливу нерівноважної концентрації точкових дефектів, відпалу в напруженому стані на їх напругу перебігу при зміні знаку навантаження дозволяють однозначно пояснити природу ефекту Баушингера і визначити шляхи його зменшення.

Результати теоретичних і експерименальних досліджень закономірності зміни структури і властивостей металів і сплавів з нерівноважною концентрацією крапкових дефектів, що створені гартом, опромінюванням, ультразвуковим впливом дозволили встановити нові ефективні засоби спрямованого формування структури і властивостей кристалічних тіл, а також розширити можливість програмного зміцнення матеріалів. Розглянемо їх:

1. Термомеханічне зміцнення загартованих чистих металів, що полягає в гарті металів з передплавильних температур, низькотемпературній деформації (на 0,5 - 1,0%) і старінні в напруженому стані в температурній області утворення вторинних дефектів.

2. Сполучення радіаційної обробки і відпалу, а також радіаційно-термомеханічного зміцнення, що полягає у відпалі, відпуску, старінні опромінених матеріалів у вільному або напруженому станах.

3. Поєднання програмного навантажування матеріалів з періодичною або безперервною дією малоінтенсивних коливань.

Проведений комплекс досліджень в лабораторних і напівпромислових умовах дозволяє рекомендувати відпуск в напруженому стані як один з перспективних технологічних процесів обробки конструкційних матеріалів і виробів з них в умовах, близьких до експлуатаційних [14].