Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 258
Скачиваний: 0
величина зависит от температуры |
и плотности |
имеющихся в кри |
сталле дислокаций: |
|
|
<?0 |
— kT In 4 - |
|
Ь - = т й + |
= |
(81) |
где Тл —атермическая компонента, обусловленная сопротивлением дислокаций, расположенных в параллельных действующей плоско стях скольжения, Q0 и | 0 — соответствующие пересечению энергия
активации |
и активационный |
объем, а — параметр, |
зависящий |
от |
||
плотности и распределения |
дислокаций «леса». Если |
Т — Т0= |
^° |
, |
||
|
|
|
|
|
|
8 |
то тл = Тл |
и тл не зависит |
от |
температуры, а т л = |
, где 10 |
— рас- |
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
дислокаций тл ~ -у- (/ — среднее расстояние |
между |
дислокация |
|||
ми), при однородном их распределении |
тл ~ |
]/р, |
что |
и наблюда |
|
лось в экспериментах |
Кэ. |
|
|
|
|
При пересечении |
двух дислокаций |
с векторами |
Бюргерса Ьх и |
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
(составных) порогов рассмотрели Гилман и Джонстон |
[375], а Лоу |
и Туркало [376] экспериментально (на монокристалле |
кремнистого |
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
жения, но и взаимодействия |
между |
движущимися |
дислокациями |
|||||
и полями внутренних напряжений. |
|
|
|
|
|
|
||
Окончательное выражение упрочнения дисклокациями «леса» |
||||||||
имеет вид |
|
|
|
_ |
|
|
|
|
т л |
= т о + aW |
У 9 > |
|
|
|
(82) |
||
где т0 — все другие виды сопротивления |
скольжению. |
напряже |
||||||
Запишем теперь основные составляющие критического |
||||||||
ния сдвига в монокристалле металла с ОЦК решеткой |
|
|
||||||
Xs = т п _ н + Т п + |
Т л > |
|
|
|
( 8 3 ) |
|||
или в более полной форме |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ъ = -сП-н+$УС |
+ щЬУр, |
|
|
|
(84) |
|||
где величина тп_н зависит от |
температуры и может |
быть |
взята в |
|||||
форме (75) или (79). В первом приближении температурной |
зависи |
|||||||
мостью суммы т п + тл можно |
пренебречь, по |
сравнению с т п _ н, и |
||||||
считать, что в уравнении (80) |
= тп + |
тл . |
|
|
|
|
||
Упрочнение, возникающее в металлах с ОЦК решеткой при из |
||||||||
менении дислокационной |
структуры, |
изучено |
мало. За |
последние |
||||
годы в этом направлении |
выполнено |
большое |
количество |
|
исследо |
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],
Рис. |
134. |
Схема передачи |
деформации через границу |
|||
зерна в |
поликристалле: |
|
|
|
||
MN |
— |
граница д в у х зерен, |
Р |
— точка |
встречи линии сколь |
|
ж е н и я |
в зерне / с границей; |
в зерне / / |
п о к а з а н о с к о л ь ж е н и е |
|||
полных |
и д в о й н и к у ю щ и х дислокаций . |
|
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
не /, остановлено на границе зерен вследствие |
скачкообразного |
изменения ориентировки плоскостей и направлений |
скольжения со |
седних зерен. Величина напряжений на расстоянии |
| г | до лидера за |
торможенной группы тг зависит от эффективной величины сдвиго вой компоненты внешнего напряжения т£ на плоскости скольжения
зерна / [382]: |
|
» |
|
|
|
|
|
|
(85) |
где 8 — малоизменяющаяся функция, зависящая |
от взаимной ори |
|||
ентировки систем |
скольжения |
зерен, L — длина |
плоскости |
сколь |
жения. |
|
|
|
|
В окрестности |
возникшего |
нагромождения дислокаций |
релак |
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.
Напряжение, при |
котором начнется пластическая |
деформация |
|
в соседних с зерном / |
кристаллах, можно сопоставить |
с моментом |
20J |
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]:
а т = <т0 |
+ |
. |
(86) |
Как показано в работе [387], |
Ку |
'= mHcr Y r |
(тс т — напряжение |
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
зали эксперименты на усах, величина |
напряжений |
зарождения |
близка к £/20. Только в очень чистом |
по содержанию примесей |
|
внедрения железе, где блокировка не |
очень сильна, |
происходит |
разблокировка источников. Если же источники заблокированы и концентрация напряжений у заторможенной границей зерна поло сы скольжения порождает дислокационные петли в совершенных
участках решетки, то величина |
Ку не зависит от степени блокиров- |
|
ки. Действительно, одно и то же значение Ку~ 2,2 кГ/мм |
__з_ |
|
2 бы |
||
ло получено у мягкого железа |
и сталей, независимо от их |
состава, |
термической обработки и уровня механических свойств. Если при-
нять при этом г да 106, то |
т |
с т д а ^ - . В |
этом случае |
Ку |
почти |
|
не зависит и от температуры |
деформации |
в интервале |
температур |
|||
—196-f- |
+100° С. При |
разблокировке |
источников |
Ку <. |
||
< 2,2 |
кГ/мм~^. |
|
|
|
|
|
Плотность дислокаций в зернах переходных металлов с ОЦК ре
шеткой |
в рекристаллизованном |
состоянии обычно не превышает |
108 см~2, |
а для их распределения |
характерны субграницы с малыми |
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
1Г\ |
|
|
|
|
tdeip'O |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
|
|
|
|
600\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
400\ 11 |
|
Ж \ |
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
|
|
|
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
|
|
|
|
|
/ |
\ |
|
|
|
|
|
|
|
200 1 s—'/ |
|
|
|
400 |
А\- |
\ |
|
|
|
|
|
|||
0 // |
* |
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|||
о |
|
20 |
40 |
so eSev,% |
0 |
20 |
40 едеф,% |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
40 |
60 |
е„,% |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. |
135. |
Диаграммы |
структурных |
состояний |
Рис. 136. Зависимость темпе |
|||||||||
деформированных хрома — а [395] и молибдена— |
ратуры хладноломкости — /, |
|||||||||||||
б [397]: |
|
|
|
|
|
|
|
размера |
ячеек — 2 |
и |
угла |
|||
/—IV— |
области |
соответственно |
с л а б о р а з о р и е н т и р о - |
разориентировки |
(р — 3 |
от |
||||||||
ванных |
(до |
1 — 2°) ячеек, |
о д н о р о д н о г о |
р а с п р е д е л е н и я |
степени |
деформации |
молиб |
|||||||
д и с л о к а ц и й , |
п р о м е ж у т о ч н ы х с т р у к т у р , |
р а з о р и е н т и р о - |
дена прокаткой |
при 700е С. |
||||||||||
ванных |
ячеистых |
структур (свыше |
2 — 4 ° ) . |
|
|
|
|
|
|
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-