Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

одно межатомное расстояние требуются напряжения около 10ֿ4G, что в 1000 раз меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурным несовершенством.

Пластическое деформирование в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Дислокация легко движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее вектор Бюргерса.

Перемещение краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние представляет собой согласованную перегруппировку атомов около дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дислокационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоскости. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислокации, облегчающих разрыв старых и образование новых межатомных связей. Как показано на рис. 5.3, при вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на две части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, другая — « принимает» дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса — одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь появится ступенька, равная вектору Бюргерса. Так как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.

Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на различном расстоянии одна от другой. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ

Если при деформировании монокристалла плоскость скольжения оказалась параллельной направлению касательного напряжения, то монокристалл не упрочняется, а его деформация велика. Начальную стадию I деформирования называют стадией легкого скольжения (рис. 5.4). При этом дислокации перемещаются в монокристалле, практически не встречая препятствий. Деформация монокристаллов с ГП решеткой на стадии легкого

скольжения достигает 1000 %, у ГЦК и ОЦК монокристаллов она не превы-

шает 10 - 15 %.

С ростом деформации скольжение распространяется на другие системы, и возникает множественное скольжение. На этой 77 стадии дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях, возрастает сопротивление их движению, и образуется сложная дислокационная структура.

Наконец, III стадия характеризуется более замедленным упрочнением по сравнению со // стадией. Винтовые дислокации переходят в смежные плоскости скольжения, и возникает поперечное скольжение, которое, по своей сути, является процессом разупрочнения. Разупрочнение на /// стадии развивается по мере деформирования, и его называют динамическим возвратом.

Скольжение дислокаций не связано с диффузией, так как происходит без переноса массы. Этим объясняется сравнительная легкость их передвижения и при отрицательных температурах, когда скорость диффузии мала.

Впроцессе скольжения возникают новые дислокации, и их плотность повышается от 108 до 1012 см-2 (более высокую плотность получить нельзя изза появления трещин и разрушения металла). Существует несколько механизмов образования новых дислокаций. Важным из них является источник Франка — Рида (рис. 5.5). Под действием касательного напряжения закрепленная дислокация выгибается, пока не примет форму полуокружности. С этого момента изогнутая дислокация распространяется самопроизвольно в виде двух спиралей. При встрече спиралей возникают расширяющаяся дислокационная петля и отрезок дислокации. Отрезок распрямляется, занимает исходное положение, и генератор дислокаций готов

кповторению цикла. Один источник Франка — Рида способен образовать сотни новых дислокаций.

Воснове упрочнения металла при деформировании лежит прежде всего повышение плотности дислокаций.

Движению дислокации мешают различные препятствия — границы зерен, дефекты упаковки, межфазные поверхности, дислокации, пересекающие плоскость скольжения. Через некоторые препятствия дислокации проходят, но при более высоких напряжениях. Такими препятствиями являются, например, пересекающиеся с плоскостью скольжения дислокации.

Каждое скопление дислокаций создает поле напряжений, отталкивающее приближающуюся дислокацию. Чем больше дислокаций в скоплении, тем сильнее отталкивание и тем труднее деформируется металл. Когда плотность дислокаций в скоплении достигает определенного значения, в этом месте зарождается трещина.

При нагреве выше 0,ЗTпл начинает действовать другой механизм перемещения дислокаций — переползание. Оно представляет собой диффузионное смещение дислокации в соседние плоскости решетки в результате присоединения вакансий (рис. 5.6). Вакансии присоединяются последовательно к краю избыточной полуплоскости, что равносильно перемещению

края на один атомный ряд вверх, и «атакуют» дислокацию в разных местах, в результате чего на дислокации появляются ступеньки. По мере присоединения вакансий дислокация на значительном участке своей длины смещается на десятки межатомных расстояний. Из-за переползания ослабляется тормозящий эффект частиц второй фазы. Переместившиеся дислокации далее сдвигаются путем скольжения под действием напряжения (см. рис. 5.6, е). При нагреве выше 0,ЗТпл вакансии весьма подвижны, а необходимое число вакансий создается пластической деформацией.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ

При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока общая деформация мала (порядка 1 %) зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам.

Изменения микроструктуры при деформировании сводятся к следующему (рис. 5.7).

С ростом степени деформации зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (см. рис. 5.7, в). Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом (см. рис. 5.7, г).

При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации.

Текстура деформации — это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования (рис. 5.8), кристаллической структуры металла, наличия примесей и условий деформирования.

При волочении возникают так называемые аксиальные текстуры, когда определенное кристаллографическое направление оказывается параллельным оси проволоки для большинства зерен (см. рис. 5.8, б).

При прокатке получается более сложная текстура: параллельно плоскости прокатки располагаются плоскость и направление решетки. Между направлением прокатки и направлением кристаллической решетки устанавливается угол а (см. рис. 5.8, а). Текстура деформации делает металл анизотропным.

Как было установлено при помощи электронно-микроскопических исследований, в наклепанных металлах появляется ячеистая тонкая структура (рис. 5.9). Ячейки диаметром 0,25 - 3 мкм представляют собой свободные от дислокаций участки; границы ячеек — это сложные переплетенные стенки дислокаций. Между собой ячейки разориентированы. У разных сплавов, естественно, имеются различия, которые зависят от химического состава сплавов, степени деформации.

С увеличением деформации размеры ячеек сохраняются практически неизменными, увеличивается лишь плотность дислокаций в стенках ячеек.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ СПЛАВОВ

Каждая фаза имеет свои системы скольжения и свои критические на-

пряжения сдвига, поэтому деформирование двухфазных сплавов оказывается более сложным. Сохранение неразрывности вдоль поверхности раздела фаз при деформировании усложняет пластическое течение. При равных условиях в двухфазных сплавах образуются более сложные текстуры деформации. Процесс деформирования в таких сплавах зависит не только от свойств второй фазы и ее содержания в сплаве, но и от характера распределения этой фазы в структуре. Если хрупкая вторая фаза располагается в виде непрерывной сетки по границам зерен, то сплав окажется хрупким. Если такое же количество второй фазы разместится в виде отдельных зерен в пластичной матрице — основе сплава, то сплав сохранит пластичность, а присутствие второй фазы проявится в упрочнении.

Основная масса промышленных сплавов имеет поликристаллическую структуру. Обработка давлением стала основой важных технологических процессов изготовления деталей и изменения свойств сплавов. В зависимости от температуры обработки и скорости деформирования различают процессы холодного, теплого и горячего деформирования.

Холодное деформирование осуществляют при температурах не выше

0,3Tпл.

Главное значение здесь имеют процессы упрочнения, обусловленные резким увеличением плотности дислокаций (до 1012 см-2) и ограничением их подвижности. Разупрочнение из-за поперечного скольжения винтовых дислокаций несущественно отражается на свойствах сплавов.

Теплое деформирование проводят при температурах (0,3 — 0,5)T ПЛ. Основными здесь являются процессы упрочнения, при одновременно идущих процессах разупрочнения — поперечное скольжение винтовых и переползание краевых дислокаций.

Горячее деформирование осуществляют при температурах выше 0,6ТПЛ. В этом случае основную роль играют процессы разупрочнения, когда с большой скоростью развиваются динамический возврат, полигонизация и рекристаллизация. Благодаря разупрочнению обеспечивается деформирование с большими степенями деформации за одну операцию. Упрочнение материала при деформировании выше 0,6TПЛ можно сохранить лишь резким охлаждением, не дожидаясь снятия наклепа вследствие протекания процессов разупрочнения.

является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклёпываются аусте-нитная сталь, никель, а алюминий упрочняется незначительно).

Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений — как растягивающих, так и сжимающих.

С увеличением деформации повышается удельное электросопротивление (максимально на 6%), а у ферромагнетиков, к которым относится большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточная индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая сопротивление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, на большем расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей.

Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию. Образование текстуры деформации вызывает анизотропию свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Основные виды термической обработки — отжиг, закалка, отпуск и

старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей. Отжиг — термическая обработка, в результате которой металлы или

сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30 — 200° С/ч.

Закалка — термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо из-за понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящей к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при 20 — 25 ° С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при 20 — 25 ° С.

Всплавах с особыми свойствами закалка позволяет изменить струк- турно-чувствительные физические или химическое свойства: увеличить удельное электросопротивление или коэрцитивную силу, повысить коррозионную стойкость и др.

Отпуск и старение — термические обработки, в результате которых в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электросопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

Вбольшинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор (или смесь, твердых растворов); в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении, — распад пересыщенного твердого раствора.

Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким