Бунин К.П., Баранов А.А. Металлография

Подождите немного. Документ загружается.

кация).

В отличие от скольжения, при котором в одной плоскости

проходит большое число дислокаций, при двойниковании в каждой

плоскости пробегает одна дислокация, переводящая атомы в двой-

никовое положение. Для двойникования каждого следующего

слоя требуется новое перемещение двойникующей дислокации.

Двойникование может вызываться дислокацией ВВ

(рис. 70, б),

если конец ее защемлен в точке В неподвижными дислокациями А В

БВ. Образование каждой дислокационной петли сопровож-

дается перемещением дислокации в

следующую

атомную плоскость.

Образовавшаяся дислокационная петля расширяется и переводит

атомный слой в двойниковое положение. Совершив полный обо-

рот, двойникующая дислокация оказывается в соседней атомной

плоскости, потому что вектор сдвига неподвижных дислокаций БВ

АВ перпендикулярен плоскости двойникования и равен расстоя-

нию

между

последовательными плоскостями.

Вторую

петлю

дислокация BBi создает в следующем атомном слое. Таким обра-

зом,

когда двойникующая дислокация закручивается, она не

только создает моноатомную пластинку сдвойникованного кри-

сталла, но и переходит в следующий атомный слой, где процесс

возобновляется. Так образуется двойник, толщина которого со-

ставляет несколько микрон.

Из

сказанного

следует,

что дислокации образуются в дефект-

ных

участках

кристалла. Бездефектные кристаллы испытывают

упругую

деформацию вплоть до напряжений, близких к теорети-

ческому сопротивлению

сдвигу.

С достижением его пластическая

деформация продолжается при меньших напряжениях. Такое

высокое сопротивление сдвигу оказывают нитевидные кри-

сталлы.

«Усы»

железа, например, испытывают

упругую

дефор-

мацию (е = 6,0%) при повышении напряжения до 13,36

Гн/м

(1336 кГ/мм

), что значительно превышает критическое скалы-

вающее напряжение обычных кристаллов железа

0,029

Гн1м

(2,9 кГ/мм

). Если зарождение дислокаций в бездефектных кри-

сталлах происходит с

трудом

требует

больших напряжений,

то перемещение происходит легко при небольших напряжениях.

Скорость движения дислокаций в металлах зависит от вели-

чины

приложенного напряжения. При высоких напряжениях

(т ^ 10~

G) скорость дислокаций близка к скорости звука

(10

м/сек). Особенно велика скорость двойникующих дислокаций,

движение которых иногда сопровождается звуковым эффектом

(«потрескиванием»). При небольших напряжениях, близких к пре-

делу

текучести, винтовые дислокации перемещаются медленнее

краевых.

УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Скорость движения дислокаций зависит от частоты их встреч.

При

встрече краевых и винтовых дислокаций в параллельных

пересекающихся плоскостях движение замедляется, многие из

131

дислокаций

останавливаются. С ростом деформации вероятность

встречи и число заторможенных дислокаций увеличиваются.

Для того чтобы преодолеть взаимодействие дислокаций и заставить

их двигаться, нужны большие напряжения, чем требовавшиеся

для предыдущей деформации. Таким образом, при деформации

металл упрочняется, его предел текучести (напряжение, при

котором преодолевается сопротивление различных препятствий)

повышается.

Рассмотрим механизм упрочнения г. ц. к. металла.

На

ранней стадии деформаций монокристалла, когда плотность

дислокаций

невелика

(10

—10

см~

), они слабо взаимодействуют

одна с другой. При движении они не встречают большого со-

противления

и происходит легкое скольжение (стадия 1). По мере

развития деформации плотность дислокаций увеличивается до

—10

см~

. Растет и число их встреч, благодаря чему все

чаще образуются неподвижные дислокации. В этот период боль-

шое значение имеет скольжение в пересекающихся плоскостях

упрочнение растет особенно интенсивно (стадия II). В дальней-

шем возможно поперечное скольжение, при котором винтовые

компоненты

дислокационных петель, не связанные с определенной

плоскостью скольжения, перемещаются в поперечных плоскостях

темп упрочнения падает (стадия III).

Большое влияние на скорость движения дислокаций оказы-

вают вакансии, межузельные атомы, примеси, границы зерен

субзерен, межфазные поверхности. Они приводят к искажениям

упаковки атомов, и перемещение дислокаций в плоскости сколь-

жения

затрудняется. По мере деформации концентрация вакан-

сий

и межузельных атомов увеличивается, и это создает дополни-

тельное сопротивление скользящим дислокациям. Подобное влия-

ние

оказывают и атомы примесей. Они тем сильнее увеличивают

сопротивление дислокациям, чем больше отличаются от атомов

растворителя и чем больше искажают его решетку. Этот эффект

примесей увеличивается с концентрацией. Для систем с полной

растворимостью компонентов в твердом состоянии это иллюстри-

ровалось рис. 34.

Однако этим влияние примесей не исчерпывается.

Атомы

растворенного компонента

могут

собираться в районе дислокации,

поскольку это приводит к уменьшению упругой энергии дефор-

мации

решетки. Более крупные атомы размещаются в растянутой

области дислокации, где межатомные расстояния увеличены.

Здесь же концентрируются и атомы компонента, образующего

с металлом раствор внедрения. Таким образом, у дислокаций

концентрация

примесей повышена («атмосферы» или

«облака»

примесей).

Образование примесных облаков связано с диффузией

дислокациям. В железе, например, возникают облака из атомов

углерода

и азота. Поскольку образование облаков энергетически

выгодно, для отрыва дислокации требуется затратить работу

132

поэтому металл упрочняется. Если приложенных напряжений

недостаточно для отрыва дислокации, она перемещается с облаком,

что ограничивает ее подвижность. При повышенном напряжении

происходит отрыв и дислокация становится способной переме-

щаться при меньших, напряжениях. Этим объясняют появление

«зуба

текучести»

на кривой растяжения низкоуглеродистых спла-

вов железа, в которых после

достижения

верхнего

предела

текучести напряжения

падают

пластическая деформация про-

должается легче.

Эффективным препятствием

для дислокаций являются гра-

ницы

зерен и двойников. На-

правления и плоскости сколь-

жения в зернах не совпадают.

Поэтому

переход

дислокаций

€'*:

№2.

Рис.

71. Скопление дислокаций у границы зерна и в месте их встречи:

а — ХЗО 000; б, в —

Х900

через границу затруднен, и они

образуют

здесь скопления (рис. 71).

От одного зерна к

другому

скольжение

переходит

результате

возбуждения источников дислокаций по

другую

сторону границы

или прорыва скопления дислокаций через границу.

Рассмотрим распределение дислокаций в полосе скольжения

(рис.

72, а). Источник А посылает в плоскость скольжения дисло-

кационные

петли. Если

действующее

на

первую

дислокацию

напряжение т недостаточно, она останавливается у препятствия Б.

Образовавшаяся в источнике А вторая дислокация остановится

дальше от препятствия, ибо она испытывает не только сопротив-

ление препятствия, но и отталкивание от первой. Вторая дислока-

ция

займет положение, при котором приложенное напряжение т.

уравновесится сопротивлением со стороны первой дислокации

133

i J, 1 1

lillilj

препятствия. Напряжение,

действующее

на

первую

дислокацию,

увеличится и она приблизится к препятствию. По мере образова-

•тттт

Трещина

Рис.

72. Схема скопления дислокаций у препятствия (а) и обра-

зование микротрещины (б)

ния

новых дислокаций участок

между

источником и препятствием

все больше заполняется ими. Источник А продолжает действовать

j^et-

*««*—

Рис.

73. Преодоление дислокациями

включений второй фазы: (а— мик-

роструктура, X

2000;

б — схема) и

влияние

величины включений на

предел текучести сплава (в)

Средний поперечник

бк/ночений,

до тех пор, пока напряжение т не уравновесится сопротивлением

остановленных дислокаций. Число дислокаций в скоплении

2/т

"Об"

(78)

где I — расстояние

между

источником и препятствием.

134

Таким образом, у препятствия концентрируются напряжения.

Если в скоплении п дислокаций, то на первую из них

действует

напряжение

а = пх. (79)

Когда а превысит сопротивление препятствия, ведущая дисло-

кация,

а за ней и другие, преодолеют его и скольжение продол-

жается.

Если расстояния

между

препятствиями велики, дислокации

могут

проходить мимо них. Такой механизм

обхода

реализуется,

когда препятствиями

служат,

например, включения второй фазы

(рис.

73). Остановленная включением дислокация БВ(рис. 73, б)

под влиянием приложенного напряжения огибает его (положе-

ние

ББ). Соприкасающиеся части изогнутой линии аннигилируют

дислокация, оставив вокруг препятствия замкнутую петлю,

выравнивается (положение АА) и продолжает движение. На

рис.

73, а видно распределение дислокаций вблизи включения

в хроме. Если включения близки одно к

другому,

подобный

обход

их дислокациями затруднен. В этом

случае

возможно поперечное

скольжение, требующее повышения напряжения. Если включе-

ния

малы, они преодолеваются поперечным движением небольшого

участка дислокационной петли и напряжения течения невелики.

Влияние поперечника включений второй фазы на предел теку-

чести сплава описывается кривой с максимумом (рис. 73, в).

РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Появление скоплений дислокаций у препятствий может вы-

звать и зарождение трещин. Концентрация напряжений здесь

ведет

к слиянию скопления дислокаций в одно нагромождение

образуется зародышевая трещина (см. рис. 72, б). Слияние ста-

новится возможным, если напряжение, действующее на первую

дислокацию скопления, превысит теоретическую прочность ме-

талла

(CT^-JQ-J.

Величину напряжения (т

), вызывающего обра-

зование трещины, можно определить, приравняв значения п

в уравнениях (78) и (79) и подставив значение а. В этом

случае

(

Трещина может распространяться в кристалле в том случае,

если концентрация напряжений на ее краях достаточна для пре-

одоления сил межатомного сцепления (нормальные напряжения

на

краю трещины превышают теоретическую прочность металла).

Это возможно, если размер трещины больше некоторого крити-

ческого значения. Необходимый для роста трещины уровень

напряжений

часто не достигается. Под влиянием напряжений

начинают действовать источники дислокаций, расположенные

135

вблизи краев трещины. В

результате

локальной пластической

деформации напряжения здесь релаксируют и трещина не растет.

Трещины распространяются

тогда,

когда источников дислокаций

вблизи нет или они заблокированы (например, облаками примес-

ных атомов). В этом

случае

трещина

растет

и металл разрушается

хрупко, не испытывая заметной пластической деформации.

При

вязком разрушении образовавшиеся из скоплений дисло-

каций

трещины не

могут

легко расти. Одновременно с большой

пластической деформацией в таком металле возникает много

трещин. По мере их роста и объединения образуются крупные,

магистральные трещины, которые и вызывают разрушение изделия.

Образующиеся при деформации трещины

могут

и закрыться

(захлопнуться), если напряжения на их концах изменяют знак

(окажутся не растягивающими, а сжимающими). Трещины закры-

ваются, например, при пластической деформации в условиях не-

равномерного всестороннего сжатия. Многие металлы, проявляю-

щие во время одноосного нагружения хрупкость, при деформиро-

вании

в условиях неравномерного всестороннего сжатия

ведут

себя как пластичные материалы.

Металлические поликристаллы разрушаются при более высо-

ких напряжениях, чем монокристаллы. Это объясняется задерж-

кой

роста трещин границами зерен. Поликристаллы

могут

раз-

рушаться и вдоль границ зерен. Такое межзеренное (интеркри-

сталлитное) разрушение наблюдается в

случаях,

когда на гра-

ницах зерен накапливаются примеси или выделяется хрупкая

фаза. После освобождения границ от примесей разрушение может

стать внутризеренным (транскристаллическим).

б.

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

ПРИ НАГРЕВЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

результате

пластической деформации в кристаллах возни-

кают дефекты и

упругие

искажения. Это приводит к увеличению

термодинамического потенциала и к повышению энергетического

стимула

к структурным изменениям деформированного металла

при

нагреве. С повышением температуры атомы деформированных

кристаллов переходят в более устойчивые положения, степень

искаженности решетки уменьшается. Этот процесс восстановления

упорядоченности упаковки происходит самопроизвольно. Он ве-

дет к уменьшению деформационного упрочнения. Происходит это

не мгновенно, а по мере устранения дефектов, ответственных за

упрочнение. Температура, требующаяся для разупрочнения, за-

висит от природы металла и величины предшествовавшей дефор-

мации.

К числу восстановительных процессов относят

отдых,

полигонизацию и рекристаллизацию.

Отдыхом

называют процесс восстановления (возврата) свойств

металла без металлографически обнаруживаемых изменений струк-

туры.

Отдых

происходит при невысоких

температурах,

и о нем

136

s/oo

Ж 300 400

Температура,

"С

можно судить,

частности,

по

выделению тепла.

деформирован-

ной

меди

это

выделение начинается

при Т > 100° С (рис. 74)

незначительно возрастает

при

повышении температуры

до

350° С. Как

видно

из

хода

кривой изменения твердости, деформа-

ционное

упрочнение снимается

при

этих температурах всего лишь

на

10—15%.

Основными причинами возврата свойств

при

отдыхе

является

устранение точечных дефектов. Избыточные вакансии

межузель-

ные атомы погашаются

при

встрече

или

поглощаются дислокациями

границами зерен.

На

этой

ста-

дни разупрочнения частично

устра-

няются

дислокации. Дислокации

противоположных знаков притяги-

ваются

аннигилируют.

Это про-

исходит прежде всего вблизи оста-

новленного источника,

где

дисло-

кационная

петля может стяги-

ваться

исчезать.

При

повышенных температурах

(лежащих, однако,

для

меди ниже

350° С)

подвижность вакансий

ве-

лика

облегчается восхождение

дислокаций

по

нормали

к пло-

скости скольжения. Дислокации

покидают скопления

полосах

скольжения

образуют стенки—границы полигонов

(рис. 75, а).

Такое перестроение дислокаций

—

полигонизация

—

наблюдается

при

нагреве многих деформированных металлов

сплавов.

Как

литых металлах полигонизация приводит

формированию

субзеренной структуры,

которой дислокации размещены преи-

мущественно

на

субграницах.

дальнейшем из-за рассыпания

субграниц происходит объединение субзерен

(рис. 75, а, б) и

разо-

риентация увеличивается.

появлением границы, разделяющей

два сильно разориентированных субзерна, становится возможной

рекристаллизация.

Рекристаллизацию деформированного металла,

отличие

от

собирательной, называют первичной

или

рекристаллизацией обра-

ботки.

Она

сопровождается выделением тепла

снижением твер-

дости.

деформированной меди первичная рекристаллизация

начинается

при ~350° С (см. рис. 74).

Большеугловые границы, аккумулировавшие

себе множество

дефектов, способны перемещаться

результате

переходов атомов

от одного зерна

другому.

Эти

переходы становятся возможными

при

различии химических потенциалов

по обе

стороны границы.

Граница

или

участок

ее

перемещаются, если средний радиус

кривизны

Рис.

74.

Количество выделяющейся

теплоты

AQ и

твердость

HV при

нагреве деформированной меди

_2у_

(81)

137

где Аи — разность химических потенциалов в соседних зернах;

у — поверхностное натяжение;

— атомный объем.

Необходимый для движения границы уровень Аи

легче

дости-

гается в наиболее деформированных

участках:

местах

пересече-

ния

полос скольжения

друг

другом

и с двойниками, в складках.

Рекристаллизация

обычно здесь и начинается. Растущее рекристал-

Рис.

75. Полигонизация, объедине-

ние

и рассыпание полигональных

границ и рекристаллизация дефор-

мированных кристаллов,

Х600

лизованное

зерно

обладает

более совершенным строением, ибо

оно

уже лишается дефектов, которыми

богат

деформированный

металл (рис. 75, в). Сначала рекристаллизованное зерно быстро

растет

вдоль полосы скольжения. Для описания скорости этого

роста можно использовать уравнение (25). В полосе скольжения

химический потенциал выше (а значит больше и Аи), связи

между

атомами ослаблены, поэтому велика и скорость роста рекри-

сталлизованного зерна вследствие присоединения атомов полосы

скольжения.

результате

этого рекристаллизованные зерна вна-

чале

имеют форму плоских дисков. В дальнейшем различие ско-

ростей роста сглаживается и размеры зерна можно характеризо-

вать некоторым средним поперечником (d).

138

Изменение

d во время изотермической выдержки деформиро-

ванного металла показано на рис. 76, а. Скорость роста

(-gf),

постоянная

в течение некоторого времени, в дальнейшем умень-

шается, поскольку рекристаллизованные зерна соприкасаются.

Время, необходимое для образования большеугловои границы,

зависит от температуры нагрева и степени искаженности дефор-

мированного металла. Число рекристаллизованных зерен во время

выдержки увеличивается. Растет и скорость рекристаллизации,

если ее характеризовать увеличением объема металла, рекристал-

лизованного в единицу времени. В дальнейшем, по мере увеличе-

на

о to t

а д

Рис.

76. Влияние длительности изотермической вы-

держки на поперечник рекристаллизованного зер-

на

(а) и степень рекристаллизации (б)

ния

этого объема и соприкосновения зерен, рекристаллизация

замедляется. Степень рекристаллизации в зависимости от дли-

тельности выдержки показана на рис. 76, б. Время, необходимое

для завершения рекристаллизации, зависит от степени и вида

предварительной деформации. Чем больше деформация, тем много-

численнее рекристаллизованные зерна, тем раньше они возникают.

При

малых деформациях искажений решетки, необходимых для

образования

большеугловых

границ, нет и рекристаллизованные

зерна не образуются.

Монокристаллы, деформированные только на стадии легкого

скольжения, обычно не испытывают рекристаллизацию при нагреве,

в них проходит лишь полигонизация. В слабодеформированных

поликристаллах происходит перемещение исходных границ, обус-

ловленное не только различием контактных

углов

и кривизной

поверхности (собирательной рекристаллизацией), но и различием

искаженности зерен по обе стороны границы. В

результате

нагрева

слабодеформированных металлических поликристаллов

могут

вы-

расти очень крупные зерна. Величина деформации, при которой

наблюдается максимальное укрупнение зерна, называется крити-

ческой. В

металлах

она не превышает

5—10%.

Величина крити-

ческой степени деформации зависит от природы металла и его

чистоты.

139

Таким

образом, во время рекристаллизации

структура

дефор-

мированного металла испытывает изменения. Зерна вытянутые

при

деформации, становятся при рекристаллизации равноосными.

Поскольку

при этом основная часть возникших при деформации

йООООООмкм*

20 25 50

Степень

деформации,

20 40 ffO

Стелем

деформации,

Рис.

77.

Диаграммы

рекристаллизации

железа

после

холодной

(а)

при горячей (б) деформации

дефектов устраняется, металл разупрочняется. Термическую об-

работку, приводящую к восстановлению свойств, называют рек-

ристаллизационным

отжигом.

Температура начала рекристаллизации зависит от величины

предварительной деформации. Согласно А. А. Бочвару, рекри-

сталлизация сильнодеформированных металлов начинается при

температуре

= (0,35- 0,45) Т

пл

, (82)

где Г

пл

— температура плавления, ° К.

140