книги из ГПНТБ / Копецкий, Ч. В. Структура и свойства тугоплавких металлов

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее важные с практической точки зрения туго­ плавкие металлы, образующие «большую четверку» — вольфрам, молибден, ниобий и тантал—-обладают ря­ дом выдающихся свойств (табл. 1). Особенности струк­ туры и свойств этих металлов связаны с их положением в Периодической системе и кристаллическим строением.

Т -а б л и ц а 1

Некоторые физические свойства тугоплавких металлов с о.ц.к. решеткой

В первую очередь следует отметить высокую темпера­ туру плавления, которая и дала название этой группе металлов. Основное применение тугоплавкие металлы и их сплавы, помимо их использования как легирующих добавок при создании специальных сталей, находят как жаропрочные .материалы для работы при высоких эксплуатационных температурах в таких отраслях, ікак авиация, ракетная, атомная и 'космическая техника.

Выдающуюся роль сыграли тугоплавкие металлы ^ и в первую очередь вольфрам и молибден — в развириң электровакуумной техники и светотехники.

«Большая четверка» тугоплавких металлов таит еще большие резервы для использования в новой технике. Эти резервы постепенно раскрываются по мере углуб-

П

Г л а в а I

ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ С О. Ц. К. РЕШЕТКОЙ

ГЕОМЕТРИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Исследования систем скольжения в о. ц. к. металлах с привлечением методов следов скольжения, дифракци­ онной электронной микроскопии, рентгеновских методов привели к выводу, что строго фиксированным является лишь направление скольжения < 1 1 1 > . При пласти­ ческой деформации этих металлов наблюдают четыре

основных типа плоскостей скольжения: {ПО}, {112}, 1123/ и иррациональные плоскости.

В зависимости от температуры и скорости деформа­ ции скольжение протекает по тем или другим кристал­ лографическим плоскостям. Часто скольжение наблю­ дается сразу по нескольким группам плоскостей. В этом случае вклад каждой из них в общую деформацию мо­ жет меняться в зависимости от изменения условий

деформации. Обычно плоскости {ПО} и |і12[ рас­ сматривают как истинные действующие атомные систе­ мы скольжения. Эти системы наблюдают у всех туго­ плавких о. ц. к. металлов при низких температурах и высоких скоростях деформации, причем при очень низ­ ких температурах происходит преимущественное сколь­

жение лишь по одной из плоскостей |іЮ [ [1, с. 31—

70]. При комнатной же температуре и медленной дефор­ мации линии скольжения не соответствуют вполне опре­ деленным кристаллографическим плоскостям, часто в таких елучаях они волнообразны. Иногда различают

скольжение по плоскостям { 123 }, например при дефор­

мации тонких фольг молибдена, при растяжении не очень чистого ванадия [1, с. 31—70] и деформации трңкңх фольг хрома [2], а также в ряде других случаев.

Большинство авторов склоняются к тому, что следы плоскостей {і23| пли плоскостей, отвечающих некри­

}3

каций а < 1 0 0 > и особенно а < 1 1 0 > сравнительно ма­

На рис. 3 приведена дислокационная структура мо­ либденовой фольги, наблюдаемая в электронном микро-

и а < 1 1 0 > . Если в реакции участвуют дислокации, не

лежащие в плоскости (101), то результирующие дисло­ кации располагаются вдоль линии пересечения соот­

ветствующей плоскости с плоскостью (101).

5

Полная дислокация а <100 > может возникнуть в результате реакций между притягивающимися дислока­ циями—дислокацией главной системы скольжения а/2

[111] (101) и другими дислокациями а/2 < 111 > , лежа­

щими в плоскостях {ПО} . Рассмотрим некоторые из этих реакций.

Дислокация а [100]. расположенная в плоскости (001), возникает по реакции

а<100>, возникающая по этой реакции в вершине двух пересекающихся скоплений дислокаций а/2 < 111 > и ле­

жащая и плоскостях {і00[, может действовать как эффективный барьер, препятствующий скольжению в

любых ориентациях исходных и конечных дислокаций. Дислокации этого типа наблюдают часто в шксагональ-

В любой из плоскостей {110} дислокация а <1(Л > может возникать с выигрышем энергии по реакции меж­

где (S) означает винтовую дислокацию.

Такие реакции также приводят к образованию дисло­ кационных сеток.

Энергетически выгодны и реакции, приводящие к возникновению дислокаций а < 1 0 0 > , плоскости сколь­

16

жения которых отличаются от плоскостей скольжения исходных дислокаций:

Плоскость скольжения результирующей дислокации здесь является плоскостью поперечного скольжения обеих исходных дислокаций. Дислокации, возникающие при такой реакции, являются барьером для скольжения дислокаций а/2 < 111 > . В то же время скопления таких

дислокаций в пересекающихся плоскостях 'j 110^ могут вызвать напряжения, достаточные для скольжения ди­ слокации а<100> .П ри этом в зависимости от распре­

деления локальных напряжений в плоскостях jl 10 }, где лежат дислокации а < 100>, протекает пластическое

треллом для возникновения трещин ів плоскостях {100}. Дислокации типаа< 100>, лежащие как в плоскостях

{100|, так и в )110}, могут с выигрышем энергии

расщепляться в плоскостях {ПО} или |Ю 0| Ѵв зависи­ мости от кристаллографии реакции с образованием пары частичных дислокаций а/2 < 100>. Например, распад

может происходить в плоскости {і00[:

кому течению, чем полная дислокация а < 100>. Чтобы такое течение могло идти, необходима последовательная рекомбинация двух частичных дислокаций а /2 < 1 0 0 > в полную а<сЮ 0> и затем в две дислокации а /2 < Ш > . Такая рекомбинация не может произойти под действием

щих в плоскости {іЮ|, ориентирована параллельно на­ правлению < 111 > , то под действием-дщешнего напряже-

I Л гу5л::ч;;-.-^ ІТ

пня одна из дислокации а/2 _100> может в свою оче­ редь расщепиться иа сидячую а/6 :.21Г и двойникующую частичную дислокацию а /6 < 111 >(sy Двойникующая дислокация может образовать двойник в одной из плоскостей -J 112 J- в зависимости от величины локаль­ ного сдвигового напряжения и от типа возникающего дефекта упаковки.

Суммарная реакция для этого случая

циями типа а/2<111>. Такие реакции могут проходить при очень высоких концентрациях напряжений в соот­

ветствующих плоскостях скольжения {110[ или при больших скоростях деформаций. Необходимый уровень концентрации напряжений может быть достигнут в вер­ шине пересекающихся скоплений дислокаций. Дислока­ ции типа а < 1 І0 > такж е встречаются в гексагональных дислокационных сетках. Дислокация а < 110> может расщепляться на пары дислокаций а/2< 110>, лежащие

в плоскостях {1І0[ или {100[. Расщепленные дислока­ ции оказывают очень сильное сопротивление пластичес­ кому течению и являются потенциальными зародышами разрушения. Если одна из исходных отталкивающихся

Продукты этих реакций являются эффективными барье­ рами для пластического течения в плоскостях -| ПО }• , центрами разрушения и двойникования.

РАСЩЕПЛЕНИЕ ВИНТОВЫХ ДИСЛОКАЦИЙ

В пластической деформации металлов с о. ц. к. ре­ шеткой очень важную роль играет расщепление винто­ вых дислокаций. Впервые на это было указано Хиршем более 10 лет назад [6].

18

Винтовая дислокация а/2<111> может расщеп­ ляться в плоскостях •[ ПО } или ■{112}-. Подробно все возможные типы расщепления рассмотрены в работе [4].

Энергетически выгодным устойчивым расщеплением винтовой дислокации в одной из плоскостей {ПО} является расщепление типа

а/2 [111] —о/8 [1101 1 а/4 [112] + а/8 [ПО].

Расщепление, геометрия которого показана на рис. 4 [4], называют расщеплением типа А. Эта дислокацион­ ная'конфигурация является скользящей.

Ч

Наряду с этим винтовая дислокация с вектором сдвига а /2 < Н 1 > может расщепляться в трех Пересе’ кающихся плоскостях ■{110 J- по реакции

а/2 [111] -а /8 [110] + а/8 [1011 + а/8 [011] + а/4 [111].

Такое расщепление называют расщеплением типа В, или «звездой» (іпо терминологии, предложенной А. Н. Ор­ ловым [5, с. 5—25]). Здесь дислокация расщепляется на четыре частичные дислокации, соединенные дефектами

упаковки в трех пересекающихся плоскостях {110}.

.19

пая дислокация D4—а/4<111> совпадает с линией пе­

ресечения этих трех плоскостей типа {іЮ}. Для дисло­ кации а/2 [111] возможен второй вариант симметрично­ го расщепления, при котором частичные дислокации

причем оба варианта расщепления равноправны, так как положения частичных дислокаций а/8 < 110>, симмет­ ричные относительно линии пересечения плоскостей

{110} , эквивалентны. Расчеты показывают, что рас­ щепление типа В энергетически .более выгодно, чем А, т. е. расщепление типа В более устойчиво. Дислокацион­

этом винтовая дислокация расщепляется на три частич­ ные дислокации а /6 < 1 Н > , соединенные дефектами

упаковки в двух пересекающихся плоскостях {112}. Например, частичная дислокация D \ лежит в плоскости

(121), D'з — в плоскости (1І2), а D'2 совпадает с линией пересечения этих плоскостей. Возможны_три варианта

расщепления типа В' в плоскостях (121), (211), и

(112): В'іВ'г и В'з, так как положения частичных дисло­ каций а/6 <111 > , симметричные относительно линии

пересечения плоскостей {П2}, неэквивалентны. Им соответствует разные дефекты упаковки, энергия ОДНО’

20