Основные элементы дислокационной структуры

В дислокационном механизме пластической деформации и разрушения металла участвуют не только дислокации, но и другие элементы дислокаци­онной структуры. К дислокационной структуре относятся все факторы, влияющие на передвижение дислокаций под действием приложенной силы.

Основными элементами дислокационной структуры являются: дислока­ции, характер их расположения друг относительно друга, а также все факто­ры, непосредственно затрудняющие передвижение дислокаций. Основными из них являются границы зерен и субзерен, атмосферы Коттрелла, атмосфе­ры Сузуки и высокодисперсные твердые включения — стопоры. Рассмотрим. каждый из перечисленных элементов.

Дислокации. Характеристикой, непосредственно влияющей на сопро­тивление сплава пластической деформации, является плотность дислокаций, т. е. их суммарная длина, приходящаяся на единицу объема металла. Размер­ность плотности дислокаций принято выражать в см^-2 (см/см³).

Согласно теории И. А.Одинга, зависимость между прочностью металла ст и плотностью дислокаций <р может быть представлена графиком (рис. 1.12).

Точка А соответствует прочности бездефектного металла, т. е. теорети­ческой прочности. На участке АВ по мере увеличения плотности дислокаций

наблюдается снижение прочности.

Верхняя часть этого участка, близ­ко примыкающая к точке А, соот­ветствует прочности так называе­мых «усов», т. е. специально выра­щиваемых продолговатых кристал­ликов с очень низкой плотностью дислокаций. Прочность «усов» близ­ка к теоретической. Они широко применяются при изготовлении композиционных сплавов в качест­ве упрочнителей. (Интересно заме­тить, что термин «усы» является дословным переводом с английско­го слова «вискерс», означающего по-русски жесткие усы животных.) В точке В при плотности дис­локаций 10⁶—10⁷ см^-2 уменьшение

\ усы (вискерс)

-2

р, СМ

Рве 1.12.Зависимость прочности металла о от плотности дислокаций р при лесе дис­локаций ВС и при более сложной дисло­кационной структуре В 'С'

о, Па

прочности прекращается и начинается ее постепенный рост. Это объясняется тем, что с увеличением р перемещение дислокаций затрудняется в связи с тем, что они начинают передвигаться не по параллельным, а по пересекаю­щимся плоскостям других систем скольжения, тем самым препятствуя дви­жению друг друга (участок ВС).

Характер влияния плотности дислокаций р на прочность металла можно оценить по формуле Келли—Наттинга:

а = о\ +

aGbJp,

где о\ — предел текучести сплава; ст₀ — предел текучести отожженного

металла; а — коэффициент, зависящий от вида дислокаций; G — модуль сдвига; Ъ — вектор Бюргерса.

Важной характеристикой является то минимальное напряжение, которое необходимо для перемещения дислокаций в кристаллической решетке, сво­бодной от каких-либо препятствий, затрудняющих движение дислокаций. Это напряжение т_п__н получило название силы Пайерлса—Набарро. Оно связано с модулем сдвига металла G следующим выражением:

^п_н — '

2G 1-ц

ехр -

2па (1-цУЬ.

где ц — коэффициент Пуассона металла; а — параметр кристаллической решетки металла в направлении, перпендикулярном движению дислокации.

Характер взаимного расположения дислокаций. В зависимости от условий кристаллизации и температуры формирования дислокационной структуры дислокации могут располагаться в кристаллической решетке зе­рен хаотически, образуя так называемый лес дислокаций, или строго упоря­дочено, образуя дислокационные стенки (рис. 1.13, а, б).

а

Рис. 1.13. Хаотическое и упорядоченное расположение дислокаций: а — лес дислокаций; б — дислокационные стенки

При упорядоченной дислокационной структуре пластическая деформа­ция затрудняется тем, что в этом слу­чае каждая из находящихся в стенке дислокаций, помимо сил Пайерлса— Набарро, удерживается от передви­жения выше- и нижерасположенны­ми дислокациями. Поэтому при более сложной, чем лес дислокаций, дисло­кационной структуре прочность ме­талла оказывается выше (см. рис. 1.12, участок В'С). Формирование дислокационных стенок происходит при кристаллизации, когда в зернах

металла образуются блоки или субзерна (см. рис. 1.9). Стенки располагаются вдоль границ субзерен. Возникший в зернах лес дислокаций может превра­титься в дислокационные стенки при нагреве до невысоких температур (для стали около 300 °С).

О влиянии на прочность металла границ его зерен говорилось в § 1.5.2. При этом было отмечено, что мелкозернистые сплавы обладают более высокой проч­ностью, чем крупнозернистые.

Атмосферы Коттрелла. Эти элементы дислокационной структуры формируются в результате предпочтительной диффузии к дислокациям тех атомов внедрения в данном сплаве, которые имеют очень малые радиусы (для стали это атомы углерода и азота). Между дислокациями и атомами внедрения происходит довольно значительное взаимодействие, затрудняю­щее передвижение дислокаций и повышающее прочность металла (см. рис. 1.12, участок В'С).

Атмосферы Сузуки, также являющиеся элементом дислокационной структуры, образуются на основе поверхностных дефектов упаковки кри­сталлической решетки. Эти дефекты оказывают влияние на процесс прохож­дения дислокаций во время пластической деформации металла.

К подобным дефектам относят такие искажения в кристаллической решетке, которые имеют большую протяженность в двух измерениях и незначительную протяженность (несколько межатомных расстояний) в третьем измерении. Ха­рактерным примером таких дефектов являются дефекты упаковки, представ­ляющие нарушение закономерного расположения плотноупакованных слоев атомов. Плотноупакованный слой атомов можно представить в виде жестких шаров, плотно прилегающих друг к другу и образующих одну атомную плос­кость. В этом случае вокруг каждого атома должно располагаться шесть таких же

Рис. 1.14. Плотнейшая упаковка шаров оди­накового радиуса на плоскости

атомов, центры которых образуют вершины правильного шестиуголь­ника (рис. 1.14). Если рассматри­вать, например, ЩК-решетку, то в ней плотноупакованные плоскости (111) расположены так, что первый и четвертый слои повторяют друг друга. Но если будет повторяться каждый третий слой, то это приве­дет к образованию дефекта упаков­ки. Дефекты упаковки могут обра­зоваться за счет сдвига в плоско­сти плотной упаковки, а также путем изъятия или внедрения од­ной плотноупакованной плоско­сти (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Дефекты упаковки: а — типа вычитания, б — типа внедрения

При наличии дефектов упаковки образуется избыток энергии, который от­носят к единице площади и называют энергией дефекта упаковки. У одновалент­ных непереходных металлов (Си, Ag, Аи) энергия дефекта упаковки невелика по сравнению с многовалентными металлами (Al, Mg, Zn). Так, например, для алю­миния эта энергия составляет 2-10~⁵ Дж/см², а для меди—0,4-10"⁵ Дж/см².

Высокодисперсные твердые включения — стопоры. Этот элемент дислокационной структуры представляет собой очень мелкие, измеряемые нанометрами частицы очень твердых химических соединений — карбидов, нитридов, интерметаллидов.

Если расстояния между ними короче дислокаций, то при пластической деформации эти частицы препятствуют свободному движению дислокации. Дислокации вынуждены или продираться между стопорами (рис. 1.16), или переползать через них благодаря образующимся над ними вакансиям. В обо­их случаях требуется наращивание внешней силы.

Напряжение т, необходимое для преодоления сопротивления стопоров, об­ратно пропорционально расстоянию между ними /. Оно вычисляется по формуле т = aGb/l, где а—коэффициент, зависящий от вида дислокации.

01 0< 0

а

Рнс. 1.16.Схема прохождения дислокации через стопоры: а — подход к стопорам; б — прорыв через стопоры и образование дислока­ционных колец, в — дислокация после прорыва

Стопоры, как правило, образуются во время термической обработки при старении. Их размеры зависят от темпера­туры, при которой они возникают. Если стопоры очень мелки, то их оказывается очень много, а расстояния между ними получаются весьма незначительными. В этом случае сплав упрочняется макси­мально. В случае нагрева происходит коа­гуляция частиц, размеры их возрастают, увеличиваются и расстояния между ними. Перестаренный сплав разупрочняется.

Упрочнением сплавов за счет стопо­ров можно управлять, подбирая соответст­вующим образом их химический состав и подвергая сплав соответствующей терми­ческой обработке.

бдм

"теор

	—
	; cdLj—	ъ^
е
о		л!*!
fi-	кмк
ts	Хкн

Из изложенного выше следует, что от дислокационной структуры существенно за­висят прочностные свойства металла и что этими свойствами можно управлять, целена­правленно изменяя дислокационную структу­ру за счет выбора химического состава спла­ва, режимов его термической обработки или обработки какими-либо другими специаль­ными методами.

О Деформация Рис 1.17. Влияние на прочность металла при растяжении: кн — концентраторов напряжений; мк — плохого металлургического качества; плотности дислокаций — Рг > pi при: яд — лесе дислокаций;. сдс — сложной дислокационной структуре; бдм — бездефектный металл

Характер изменения прочности в зави­симости от плотности дислокаций и особен­ностей дислокационной структуры см. на рис. 1.12, линии ВСкВ'С.

В заключение рассмотрим сводный график, на котором изобразим зависимость прочности сплава от деформации и влия- ■ ние на прочность таких факторов, как кон­центраторы напряжений, металлургическое качество сплава и особенности дислокаци­онной структуры (рис. 1.17).

Как следует из графика, растяжение бездефектного металла происходит в ре­жиме упругой деформации. При этом дос­тигается теоретическая прочность а^р (рис. 1.17, точка бдм).

Наиболее интенсивно снижается прочность при наличии в металле кон­центраторов напряжений (рис. 1.17, точка кн). В этом случае металл разру­шается во время упругой деформации задолго до начала пластической де-

Концентраторами напряжений являются имеющиеся в металле трещи­ны, несплошности и всевозможные включения с острыми краями, а также резкие переходы в детали от одного сечения к другому. Концентраторы на­пряжений в местах их расположения увеличивают расчетные напряжения в десятки и даже сотни раз.

При плохом металлургическом качестве, что равноценно уменьшению фактического рабочего сечения детали, действительное напряжение в ее се­чении также оказывается выше расчетного. Вследствие этого металл разру­шается при более низком уровне прочности (рис. 1,17, точка мк).

Металлургическими дефектами являются различные рассе­янные в металле неметаллические включения, например FeS, Si0₂, А1₂0₃ и т. д., а также раковины, поры и другие нарушения сплошности. Крупнозер-нистость и различные виды ликвации также являются металлургическими дефектами.

При отсутствии концентраторов ?~?~T~f~f~~f~??

напряжений и удовлетворительном ме- О— о—о—о—о—о~-о—6

таллургическом качестве сплава его т ^ о—о—А—о—о—о—р—о
прочность должна определяться напря- Р—?— 9~9~у---г~9~~9

жением, по достижении которого закан- / Х_Д-_Л_Л—о—<>-<>—о /

чивается чисто упругая деформация и оаоооооб

начинается упругопластическая. Но в оообоооо

основе пластической деформации лежит 1 1 ill 111

работа дислокационного механизма. уГкУГкьГ к ь А

При этом прочность окажется тем выше,

чем больше плотность дислокаций (на ^рис. 1-18. Схема образования двой-
рис. 1.17 р₂ > р,, см. рис. 1.12). н™"¹

На рис. 1.17 показано, что при одной и той же плотности дислокаций (pi или р₂) прочность металла при лесе дислокаций ниже, чем при более слож­ной дислокационной структуре (линии лд и сдс).

В заключение отметим существенную специфику другого вида пла­стической деформации — двойникования. В отличие от сдвиговой пла­стической деформации, основу протекания которой составляет работа дислокационного механизма, при двойниковании происходит образова­ние так называемых двойников, т. е. таких незначительных прослоек в кристаллической решетке зерна, в которых кристаллографические на­правления и плоскости переориентированы в зеркально-симметричное положение относительно некоторой плоскости, называемой плоскостью двойникования (рис. 1.18, плоскость I—I). Деформация двойникования происходит в тех случаях, когда она менее энергоемка, чем деформация скольжения. Двойники наблюдаются, например, в зернах отожженной меди.

1.6. Наклеп металла

Из многолетнего опыта известно, что после ковки холодного металла замет­но возрастают его прочность и твердость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название «наклеп». Наклепом называют как сам процесс изменения внутреннего строения металла при холодной пластической деформа­ции, так и получающийся при этом результат, т. е. повышение прочности и твер­дости, сопровождающееся уменьшением пластичности. Анализ сущности пла­стической деформации с позиций дислокационной концепции позволяет устано­вить, что изменение внутреннего строения металла при пластической деформа­ции связано главным образом с ростом плотности дислокаций, происходящим вследствие их непрерьтного генерирования источниками Франка—Рида под действием напряжений, создаваемых прикладываемой силой.

Как следует из § 1.5.2, по мере развития пластической деформации и приближения ее величины и плотности дислокаций к критическим значени­ям вместе с ростом прочности уменьшается запас пластичности. (Напомним, что по достижении упомянутыми характеристиками критических величин в металле возникают зародыши трещин, т. е. наступает начальная стадия соб­ственного процесса разрушения.)

Таким образом, наклепанный металл должен быть прочнее и хрупче не-наклепанного. Установлено, что при наклепе изменяются и другие свойства металла. В частности, уменьшаются плотность, теплопроводность и электри­ческая проводимость.

В машиностроении наклеп используется для поверхностного упрочне­ния деталей. Так, поверхности некоторых видов валов, в особенности их опорные шейки, подвергаются интенсивной холодной обработке давлением твердыми роликами с целью наклепа для уменьшения износа и предотвра­щения усталостного разрушения.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность кристаллического строения металлов?

2. Какие типы кристаллических решеток вам известны?

3. Как обозначаются кристаллографические направления и плоскости?

4. Что такое анизотропия в кристаллах?

5. Что такое аллотропия металлов?

6. Какие существуют дефекты кристаллического строения?

7. Изложите дислокационный механизм упругопластической деформации.

8. Перечислите основные элементы дислокационной структуры.

9. Как зависит прочность от плотности дислокации?

10. Что такое наклеп и как он влияет на свойства металлов?