книги из ГПНТБ / Физические основы электротермического упрочнения стали

где Тл —атермическая компонента, обусловленная сопротивлением дислокаций, расположенных в параллельных действующей плоско­ стях скольжения, Q0 и | 0 — соответствующие пересечению энергия

стояние между плоскими скоплениями дислокаций в параллельных плоскостях скольжения. Подобного рода дислокационная структура характерна для кристаллов с плотноупакованной решеткой, и урав­ нение (81) в этом случае хорошо согласуется с экспериментом. Од­ нако при деформации металлов с ОЦК решеткой такие плоские ряды не наблюдались [372]. По модели Коттрелла [373] при пересечении

Ь2 на каждой из них образуется ступенька, направленная вдоль век­ тора Бюргерса пересеченной дислокации и равная подлине модулю вектора Бюргерса пересеченной дислокации. Пороги, перпендику­ лярные плоскости скольжения, устойчивы, а пороги, образовавшиеся в плоскости скольжения, выравниваются при дальнейшем движе­ нии дислокации. Пороги на краевых дислокациях параллельны вектору Бюргерса и поэтому имеют винтовую ориентацию, в то вре­ мя как ориентация порогов на винтовых дислокациях краевая. По­ роги на краевых дислокациях лежат в плоскости скольжения дисло­ кации и не препятствуют ее движению. Винтовая же дислокация с порогом может продолжать движение только при условии неконсер­ вативного движения порога, так как его плоскость скольжения не соответствует плоскости скольжения дислокации. В этом случае движение порога порождает цепочки вакансий или междоузельных атомов, что наблюдалось экспериментально [374].

Каждое пересечение дислокаций «леса» порождает пороги, и, хотя пороги противоположных знаков стремятся к аннигиляции, вдоль винтовой дислокации постепенно собирается избыточное ко­ личество порогов одного знака, которые тормозят ее движение и играют роль закрепляющих точек. Образование более сложных

железа) подтвердили основные следствия их модели с точки зрения образования дислокационных петель, диполей и других структур­ ных нарушений.

Учитывая влияние дефектов этого типа, Мотт [377] полагал, что упрочнение при наклепе обусловлено не столько сопротивлением дислокаций «леса» движущимся дислокациям, сколько образова­ нием порогов при пересечении, в конце концов останавливающих скольжение в запутанных дислокационных клубках. Ли [378] пока­ зал, что, хотя предположение об определяющей роли упрочнения за счет образования порогов также приводит к закону упрочнения

~Yp и экспериментально исследовавший упрочнение в железе Кэ

[372]высказался в пользу модели Мотта, следует признать, что в металлах с ОЦК решеткой этот механизм упрочнения не играет пер­ востепенной роли. В числе аргументов Ли использовал и вывод Кон­ рада [3361 о том, что разность напряжений течения при двух раз­ ных температурах не зависит от деформации и, следовательно, от

порогового упрочнения. По модели Ли закон упрочнения ~ Ур обусловлен все-таки дальнодействующими полями напряжений сложных клубковых скоплений. Даже волнистая форма линий скольжения может быть следствием не поперечного скольжения, как это всегда принималось, или, точнее, не только поперечного сколь­

ваний [379—381]. Однако теория деформационного упрочнения по сути еще не создана.

Влияние размера зерна и субструктуры. Закономерности дефор­ мации поликристаллов принципиально отличаются от деформации монокристаллов прежде всего необходимостью сохранения сплошнос­ ти поликристаллического агрегата (по крайней мере, на ранних ста-

202 днях деформации), несмотря на всевозможные различия в ориен-

тировке систем скольжения в зернах. Чтобы выполнялись условия сохранения сплошности при распространении скольжения в сосед­ нее зерно, в общем случае должны действовать пять независимых систем скольжения (правило Мизеса). Для того чтобы включить эти системы скольжения в соседнем зерне, требуются напряжения, зна­ чительно превышающие действующие от внешних нагрузок [382],

а необходимая концентрация напряжений обеспечивается при по­ мощи блокирования границами зерна действующей в нем плоскости скольжения [373, 382].

На рис. 134 представлена схема наиболее характерной для де­ формации поликристаллов ситуации. Скольжение, начавшееся в зер­

торможенной группы тг зависит от эффективной величины сдвиго­ вой компоненты внешнего напряжения т£ на плоскости скольжения

сация напряжений может произойти вследствие 1) передачи скольже­ ния в зерно / / при помощи активирования систем скольжения в нем (скольжение, двойникование, мартенситное превращение), что будет означать продолжение пластической деформации поликристал­ ла, и 2) зарождения хрупкой трещины, инициирующей хрупкое раз­ рушение.

множественного развития актов пластической деформации, отож­ дествляемым с критическим напряжением сдвига т5 или пределом текучести сгт. Учитывая известное соотношение между критическим напряжением сдвига т5 , эффективной величиной сдвиговой компо­ ненты внешних сил т,- и сопротивлением движению дислокаций 2 т0 , уравнение (85) можно записать в форме, экспериментально най­ денной Петчем [383], Холлом [384], Лоу [385] и теоретически обос­ нованной Моттом [386] и Стро [382]:

старта источников в соседних зернах, т —константа Тейлора, или фактор ориентировки). Величина Ки, определяемая стартовым на­ пряжением т с т на источнике в соседнем зерне, чувствительна к ус­ ловиям работы источника. Коттрелл [388] пришел к выводу о том, что наряду с разблокировкой дислокационных источников, нахо­ дящихся вблизи от концентратора напряжений, возможно зарожде­ ние скользящих дислокаций в совершенной решетке, хотя, как пока­

разблокировка источников. Если же источники заблокированы и концентрация напряжений у заторможенной границей зерна поло­ сы скольжения порождает дислокационные петли в совершенных

термической обработки и уровня механических свойств. Если при-

Плотность дислокаций в зернах переходных металлов с ОЦК ре­

углами разориентировки (порядка нескольких минут). Как показа­ ли многочисленные эксперименты (см., например, обзоры [387, 389]), в этом случае длина плоскости скольжения может быть при­ нята равной диаметру зерна: L да d.

В деформированных металлах положение осложняется. Иссле­ дования (выполненные в основном методом трансмиссионной элект-

2 Под сопротивлением движению дислокаций подразумевается суммарный эффект действия различных физических механизмов, снижающих эффективную величину действующих на дислокации в плоскости скольжения напряжений. Для

204 металлов с ОЦК решеткой можно принимать т0 = xs по уравнению (83).

ронной микроскопии) дислокационной структуры поликристалличе­ ских переходных металлов с ОЦК решеткой показали, что она зави­ сит от степени и температуры деформации [390—398].Установлено, что упрочнение деформацией сопровождается возникновением по крайней мере двух основных типов распределения дислокаций. Один из них характеризуется относительно гомогенным заполнением объема зерна клубком дислокационных линий (следовательно, плот­ ность дислокаций «леса» монотонно увеличивается), а другой — упо­ рядоченным распределением дислокаций и образованием при этом субструктурных дислокационных границ (так называемых ячеистых

структур). С увеличением степени деформации увеличивается плот­ ность дислокаций главным образом в субграницах. При деформа­ ции наблюдается образование и промежуточных структурных со­ стояний, сочетающих, например, ячеистую структуру с определен­ ной плотностью дислокаций в теле ячеек.

Структурные диаграммы, отражающие зависимость существова­ ния различных структур от температуры и степени деформации, впервые были построены для хрома и молибдена [395—397] (рис. 135). Для ячеистых структур характерны сравнительно быст­ рая стабилизация размеров ячейки при увеличивающейся деформа­ ции (рис. 136) и непрерывное увеличение углов разориентировки соседних ячеек. Существенно, что при снижении температуры дефор­ мации ячейки резко вытягиваются в направлении деформации, уменьшается их размер и несколько увеличивается наблюдаемая ширина границ.

Механизм образования ячеистых структур, особенно в области сравнительно низких температур деформации, еще не ясен [393, 395, 397, 399]. Можно, однако, утверждать, что существенную роль в формировании границ ячеек играют процессы переползания дисло­ каций и поэтому совершенство распределения дислокаций в субгра-

ницах при снижении температуры ухудшается. Слабое расширение рентгеновских дифракционных линий, характерное даже для силь­ но деформированных при относительно высоких температурах со­ стояний 1394] и свидетельствующее о существенной компенсации полей напряжений дислокаций в тонких совершенных стенках яче­ ек, увеличивается одновременно с расширением субграниц при сни­ жении температуры деформации. Определенную роль в этом игра­ ют также скорость деформации и содержание примесей внедрения [395].

Дислокационная структура «леса» возникает при механическом наклепе. Ее образование сопровождается сильным упрочнением и катастрофическим снижением пластических свойств (повышением температуры хладноломкости). Это объясняется тем, что в соответст­ вии с известной формулой Стро (см. стр. 232) для зависимости тем­ пературы хладноломкости Тх от сопротивления движению дислока­ ций о0 и размера зерна d при увеличении плотности дислокаций «ле­ са» значения а0 , <хт и Тх повышаются.

Формирование ячеистых структур приводит к иным закономер­ ностям изменения механических свойств. На ранних стадиях пла­ стической деформации при малых разориентировках границ сопро­ тивление скольжению, которое оказывает образование ячеек, но­ сит в основном характер сопротивления дислокаций «леса» [393 — 397]. Однако существует некоторая критическая разориентировка, при достижении которой граница ячеек может выполнять роль эффективного барьера, ограничивающего длину плоскости скольже­ ния, т. е. фактически роль границы зерна [393—398].

К сожалению, еще нет надежных данных о величине критической разориентировки соседних ячеек. Имеющиеся оценки ф к р близки к одному или нескольким градусам [393, 396, 400, 401]. Несомненно, что ф к р зависит и от типа дислокаций в границе, и от совершенства ее строения (в частности, от ее ширины). При увеличении степени де­ формации переход субграниц через критическую разориентировку совершается на различных стадиях деформации в связи с опреде­ ленным распределением числа субграниц по углам разориентировки [394]. Поэтому эффективная длина плоскости скольжения L умень­ шается с увеличением степени деформации от поперечника металло­ графически выявляемых зерен до размера ячейки субструктуры. Уменьшение L может составлять два-три порядка и вызывать суще­ ственное изменение механических свойств. Анализ уравнения (86) показывает, что наряду с упрочнением вследствие увеличения со­ противления движению дислокаций, которое всегда сопровождает­ ся повышением температуры хладноломкости и может произойти как при наклепе (увеличение плотности дислокаций «леса».р), так и при загрязнении металла, возможно упрочнение вследствие уменьшения длины плоскости скольжения L , отличающееся от пер­ вого именно тем, что оно сопровождается снижением температуры хладноломкости и, следовательно, определенным улучшением свойств низкотемпературной пластичности.

Физическая причина такого необычного изменения свойств проч­ ности и пластичности становится понятной при анализе уравнения (85). Существенным в создании условий для раскрытия хрупкой тре­

внешних сил на действующей плоскости скольжения, а величина

На рис. 137 показано смещение соответствующих точек у деформиро­

а считается равной ширине металлографически выявляемого зерна d деформированного металла 3 . Как следует из рис. 137, закон Петча, всегда справедливый для чистых металлов и однородных твердых растворов, полностью нарушится при L — d (см. точки, отмеченные стрелками). Аналогично пределу текучести от изменения L зависит и изменение твердости [393, 396, 398].

Таким образом, формирование ячеистых структур открывает оп­ ределенные перспективы в развитии таких методов упрочнения, которые не связаны с низкотемпературным охрупчиванием переход­ ных металлов с ОЦК решеткой. В работе [402] показано, что для прокатанного в тонкую фольгу хрома, в котором формируются «сплюснутые» ячейки деформации, закон Петча также сохраняется (см. рис. 137). Большой интервал изменения L убеждает в том, что

3 В работе [396] величина d определялась (при помощи оптического мик­

роскопа) как поперечник хорошо наблюдавшихся «фибр» волокнистой струк­ туры, умноженный на для учета его изменения в направлении действия максимальных напряжений сдвига.