Файл: Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов.pdf

занимают все возможные положения, отвечающие максимальному использованию свободного объема вблизи дислокации. Такое распо­ ложение примесных атомов соответствует концентрации с = 1 . Следо­ вательно, температуру насыщения Тк атмосфер Коттрелла можно

найти, полагая в уравнении (19) С = 1 и |« |= н о , что дает

В случае насыщения атмосфер Коттрелла на каждый атом ос­ новного металла, лежащий на линии дислокации, приходится один атом примеси. Если энергия взаимодействия достаточно велика, то вдоль линии дислокации может образоваться несколько рядов при­ месных атомов.

Впоследующих работах идеи Коттрелла и Билби были развиты

иуточнены. Так, Луат [52] указывает, что вероятность занятия при­ месным атомом положений с минимальной энергией (т. е. положения на краю атомной полуплоскости) нельзя описывать при помощи ста­ тистики Максвелла — Больцмана. Действительно, при температурах ниже Тц концентрация примесей в облаке Коттрелла становится

больше 1 (более 100%), что противоречит здравому смыслу. Поэтому Луат предлагает формулу тина распределения Ферми, применяемую для описания состояний свободных электронов в металлах:

по-разному искажают решетку вдоль ее осей, то уравнения несколь­ ко усложняются. Так, например, энергия взаимодействия атома внед­ рения в октаэдрической поре с краевыми дислокациями в гексаго­ нальной решетке описывается уравнением, предложенным в работе

[53, с. 479]:

где V — объем, приходящийся на один растворенный атом

(Т«ш 2/2).

Точная теоретическая оценка энергии максимальной связи по уравнениям (16) — (18) для легирующих эле­ ментов и примесей в титане встречает затруднения вви­ ду неопределенности значений е (см. табл. 5 и 6). Не­ сомненно, однако, что в ct-титане с дислокациями долж­ ны довольно сильно взаимодействовать атомы бериллия, никеля, кобальта, железа, марганца, хрома (энергия взаимодействия должна быть примерно 0,05—0,1 эВ), а атомы ниобия, тантала, олова, алюминия в значительно меньшей степени (энергия взаимодействия примерно

0,01—0,05 эВ).

34

энергии взаимодействия атомов кислорода с краевыми дислокациями в а-титане величину, равную 0,14 эВ при допущении изотропности упругих свойств и 0,12 эВ с учетом их анизотропии.

Экспериментально найденная Тайзоном [55] энер­ гия взаимодействия атомов кислорода с дислокациями в а-титане оказалась в десять раз больше, т. е. 1,4 эВ. Образование в титане на дислокациях атмосфер Кот­ трелла из кислородных атомов было экспериментально доказано в работе [56]. Кадофф и Винтер [57] устано­ вили, что энергия взаимодействия атомов внедрения с дислокациями в титане составляет 0,15—0,4 эВ. К сожа­ лению, в кратком отчете по этой работе не указано, к какому из названных пределов ближе энергия взаимо­ действия того или иного элемента внедрения. Поскольку энергия взаимодействия атомов с дислокациями пропор­ циональна искажениям, которые вносит атом в решетку, можно полагать, что для углерода характерна энергия взаимодействия 0,4—0,35 эВ, для азота 0,35—0,25 эВ, для кислорода 0,25—0,2 эВ. Эти значения энергии взаи­ модействия, в частности для кислорода, нам кажутся более приемлемыми, чем значение 1,4 эВ по данным Тайзона [55].

Приведенные выше выводы для атомов внедрения нельзя распространить на растворы водорода в титане и его сплавах. Водород в металлах ионизирован до про­ тона. Однако электронный газ экранирует протон и об­ разует вокруг него сгущение определенного радиуса. Но­ вое образование не является атомом водорода, так как не возникает квантованных состояний. Такое образова­ ние можно назвать квазиионом.

Во многих переходных металлах размеры межузель­ ных пустот больше диаметра квазииона водорода. По этой причине степень несоответствия атомов примеси и

металла е = —— оказывается отрицательной. Это зна^

г\

чит, что атомы водорода стремятся располагаться не в растянутой части кристалла, а в сжатой [11, 58].

Размеры квазииона водорода в титане, по-видимому,

все же больше, чем размеры междоузлий, в которых он располагается, так как с увеличением содержания водо­ рода возрастают параметры решетки как а-, так и p-твердых растворов (рис. 20). Если определять пара-

Содержание H!t %

Рис. 20. Влияние водорода на параметры решетки а-сплава ВТ5Л (Я) и Р-сплава BT15 (Б)

метры размерного несоответствия по касательной к кри­ вой зависимости параметров решетки от концентрации, то получаем: а) для а-сплава (ВТ5Л) еа=0,20 и ес= = 0,013; б) для р-сплава (ВТ15) при концентрациях 0,1—0,15% (по массе) Н2, где происходит наиболее ин­ тенсивное увеличение параметров решетки, е= 0,18. От­ сюда следует, что энергия упругого взаимодействия ато­ мов водорода с дислокациями должна быть равна 0,40

и0,06 эВ для а- и p-фаз соответственно.

Вметаллах могут также возникать атмосферы Сузуки, связанные с различной растворимостью чужеродных атомов внутри дефекта упаковки и вне его. Различие в растворимости не связано с энергией упругого взаимодействия, а имеет термохимическую природу. Взаи­ модействие формально описывается как эффективная энергия связи примесных атомов с растянутой дислокацией. Эта энергия составляет минимум 0,1—0,2 эВ.

Вметаллах с о. ц. к. решеткой образуются также атмосферы Сноека, проявляющиеся в упорядоченном расположении атомов внед­

рения по октаэдрическим междоузлиям. К сожалению, данных об ат­ мосферах Сузуки и Сноека в титане и его сплавах нам не удалось найти в литературе.

Помимо упругого и химического взаимодействия между инород­ ными атомами и дислокациями, имеет место также электрическое взаимодействие, поскольку в узлах решетки находятся не атомы, а положительно заряженные ионы. Коттрелл, Хантер и Набарро [59] показали, что появление краевой дислокации в структуре кристалла приводит к локальным нарушениям электрической нейтральности,

36

Всжатой части решетки возникает локальный положительный заряд,

ав растянутой — отрицательный, т. е. возникает своеобразный «ли­

нейный диполь».

Энергия взаимодействия между заряженным примес­ ным ионом с эффективным зарядом q и электрическим полем около дислокации оказалась равной

где h — постоянная Планка;

Эффективный заряд квазииона водорода в а-титане можно оценить из результатов электропереноса водоро­ да1. Эффективный заряд квазииона водорода в а-титане составляет 0,85—0,95 е, а в (3-сплаве 0,8—0,9 е. Если допустить, что длина волны электронов электронного га­ за близка к межатомному расстоянию в решетке а-ти-

О

тана (~ 2 ,9 А ), то получаем, что ыЭл~0,50 эВ. Это зна-

^чение, по-видимому, слишком велико. Косвенные экспе­ риментальные данные [8] показывают, что энергия взаимодействия атомов водорода с дислокациями в ме­ таллах должна быть близка к 0,10 эВ.

Кинетика образования примесных атмосфер на ранних стадиях описывается уравнением, предложенным в работе [48]:

п(х) — число атомов, осевших на единице длины дислокации че­ рез время т;

D — коэффициент диффузии растворенного элемента.

Из приведенного уравнения следует, что число атомов, связыва­ емых дислокацией при данной температуре, пропорционально време­ ни в степени 2/3.

С повышением температуры процесс образования примесных ат-

Указанное уравнение описывает, например, образование атмос­ фер Коттрелла в металлах и сплавах, закаленных с температур вы­

1 Н а з и м о в О. П. Диффузия водорода в титане и его сплавахАвтореф. канд. дис. М., 1971,

37

ше 7"к . Оно справедливо также и для случая образования атмосфер

Коттрелла на дислокациях, по ‘каким-либо причинам ранее освобо­ дившихся от них.

РАСТВОРНЫЙ МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ

Растворение легирующих элементов и примесей в металле вызывает повышение пределов прочности и те­ кучести и усиливает развитие деформационного упроч­ нения. Вместе с тем истинные разрушающие напряже­ ния, по-видимому, мало изменяются при легировании, так как возрастание временного сопротивления разрыву сопровождается уменьшением поперечного сужения.

При вычислении упрочнения металла в результате растворения в нем легирующих элементов или примесей обычно определяют лишь дополнительное сопротивление деформации тс, которое для вычисления полного сопро­ тивления т нужно просто добавить к сопротивлению де­ формации чистого металла то. Таким образом:

Предел текучести ат можно в первом приближении оценить как удвоенное напряжение сдвига т, так что

где верхние индексы относятся к чистому металлу и уп­ рочнению при легировании соответственно.

Для объяснения упрочнения металлов при растворении в них дру­ гих элементов было предложено несколько механизмов. Их обзор дан в монографии [60]. Все они пригодны для качественного описа­ ния наблюдаемых экспериментальных закономерностей. Лишь тон­ кие эксперименты могут дать ответ на вопрос, какой из предложен­ ных механизмов действует в том или иноде конкретном случае.

Легирующие элементы прежде всего изменяют дислокационную структуру литого металла. Как правило, растворенные элементы по­ вышают плотность дислокаций и протяженность малоугловых гра­ ниц, что создает дополнительное упрочнение, помимо чисто раствор­ ного упрочнения.

Легирование изменяет также упругие константы, коэффициенты диффузии, силы сцепления, энергию дефектов упаковки, что также сказывается на механических свойствах металлов.

В твердых растворах дислокации теряют линейность, они изгиба­ ются из-за присутствия растворенных атомов таким образом, что упругая энергия системы становится минимальной (рис. 21, а). При скольжении дислокаций их энергетически выгодное расположение среди растворенных атомов нарушается, энергия системы возрастает, возникает дополнительное сопротивление пластической деформации. Этот эффект упрочнения имеет относительно большое значение для

38