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

разбавленных растворов, в которых растворенные атомы удалены друг от друга на несколько межатомных расстояний и дислокации сильно искривлены, и играет меньшую роль в растворах умеренной концентрации, в которых растворенные атомы располагаются близко друг к другу и искривление дислокаций мало. Это связано с тем, что

Рис. 21. Движение изогнутых дислокаций; кружками указаны препятствия движению дислокаций — атомы второго компонента (а) и выделения (б)

дислокации не могут иметь кривизну, большую некоторого крити­ ческого значения R.

Растворенные атомы с параметром размерного несоответствия в создают вокруг себя поле внутренних напряжений с усредненным по объему напряжением тi = GeC, где С — концентрация растворенного элемента в атомных долях. Это напряжение и ограничивает мини­

Если расстояние между растворенными атомами меньше этого критического радиуса, то дислокация не может следовать по поло­ жениям минимальной энергии и ее искривление уменьшается.

В зависимости от принятой модели расчета взаимодействия ис­ кривленных дислокаций с растворенными атомами получаются разные зависимости сопротивления деформации от концентрации растворен­ ных атомов с. Мотт и Набарро [61] дают следующую зависимость для критического напряжения сдвига тс в области разбавленных рас­ творов:

Таким образом, дополнительное сопротивление течению металла, обусловленное растворным упрочнением, прямо пропорционально концентрации второго элемента в атомных долях и квадрату раз­ мерного фактора.

Вычисления, выполненные Фриделем [50] для модели, которая учитывает взаимодействие дислокаций с ядром дислокации, дают линейную зависимость напряжений от концентрации, но с другим коэффициентом перед С:

39

Шеткп. Поскольку эти атомы вызывают сильное искажение решетки, то учитывалось лишь единичное взаимодействие в плоскости сколь­ жения дислокации. Искажения решетки создают напряжения, дей­ ствующие против поля напряжений перемещающейся дислокации, в результате чего возникает дополнительное сопротивление трению,

пропорциональное С ^ г:

где а — коэффициент пропорциональности; Де— разность продольной и поперечной деформаций, создавае­

мых дефектом.

Если атомы создают симметричные искажения решетки, то сила взаимодействия оказывается значительно меньше и нужно уже учи­ тывать взаимодействие дислокаций не только с дефектами в бли­ жайших плоскостях, но и в более удаленных. Флейшер и Хиб­ бард [62] оценили для этого случая два типа взаимодействия дисло­ каций с растворенными атомами. Один из них обусловлен различи­ ем в размерах атомов растворенного элемента и растворителя (или междоузлия), т. е. размерным фактором, а второй связан с разными упругими свойствами матрицы и области, примыкающей к введен­ ному атому. Первый тип взаимодействия Флейшер назвал размер­ ным, а второй — взаимодействием по модулю упругости.

Сопротивление деформации, обусловленное не только размерным фактором е0, но и несоответствием модулей сдвига растворителя и растворяемого элемента го, по Флейшеру [63], описывается выра­ жением

Таким образом, по Флейшеру между сопротивлением деформации и концентрацией легирующего элемента должна быть параболиче­ ская зависимость. Параболическая зависимость между напряжением сдвига и концентрацией растворенного элемента была получена так­ же Форманом и Мэкином [64].

Приведенные выше уравнения были получены для разбавленных растворов. Общее решение задачи было предложено в работе [65], в которой авторы также учитывали лишь упрочнение, обусловленное различием модулей упругости взаимодействующих компонентов. В отличие от предыдущих работ авторы рассмотрели вклад в энер­ гию взаимодействия не близлежащих инородных атомов, а всего кристалла в целом. Для концентрированных растворов напряжение

трения оказалось пропорциональным величине [С(1—С )]^ 3. Отсюда для разбавленных растворов следует линейная зависимость между То и С ^3.

При определении сопротивления трению, обусловленного легиро­ ванием, Фишер [66] исходил из того факта, что в реальном металле практически никогда нет хаотического распределения атомов раство-

40

репного элемента. Для их распределения характерен ближний поря­ док. При ближнем порядке в локальных объемах атомы одного сор­ та А окружают себя атомамидругого сорта В, если разноименные связи типа АВ сильнее, чем одноименные связи типа АА и ВВ, или, наоборот, атомы стремятся окружить себя родственными атомами, если одноименные связи сильнее разноименных.

При ближнем порядке твердые растворы имеют минимум энергии. При перемещении дислокации через кристалл ближний порядок на­ рушается и энергия металла возрастает. Поэтому движение дисло­ каций в твердом растворе с ближним порядком встречает дополни­ тельное сопротивление. Образование дальнего порядка в твердых рас­ творах также повышает сопротивление пластической деформации по сравнению с сопротивлением в неупорядоченных твердых растворах.

При достаточно низких температурах упрочнение твердых растворов связано прежде всего с образовани­ ем различного рода атмосфер на дислокациях (Коттрел­ ла, Сузуки, Сноека). Дислокации могут при этом или перемещаться вместе с атмосферами или вырываться из них.

Дислокации могут увлекать за собой атмосферы лишь при достаточно высоких температурах и очень неболь­ ших скоростях деформации. Такие условия наблюдают­ ся, в частности, при микроползучести. В этих условиях диффузионная подвижность атомов достаточно велика и они следуют за дислокацией, несколько отставая от нее. Отставшая атмосфера притягивает к себе дислока­ цию, так как система имеет наименьшую энергию, ког­ да дислокация расположена в центре атмосферы. Та­ ким образом, атмосфера тормозит движение дислокаций и создает дополнительное сопротивление деформирова­ нию.

При низких температурах, когда подвижность ато­ мов второго компонента ничтожно мала, а также при больших напряжениях дислокации вырываются из ок­ ружающих их атмосфер, в результате чего напряжения течения резко падают и появляется пик текучести. Для появления пика текучести нужны очень небольшие коли­ чества примесей или легирующих элементов с большой энергией связи с дислокациями порядка 10~3—10—4% (ат.). Отсюда становится ясной причина сильного влия­ ния на свойства металлов ничтожно малых концентра­ ций примесей внедрения и некоторых легирующих эле­ ментов. Следует отметить, что образование атмосфер не является единственной причиной появления пика теку­ чести на кривых растяжения f67"|.

В титанорых сплавах при комнатной температуре

41

обычно не наблюдается пика текучести. В свете изло­ женных представлений это можно объяснить тем, что

ДИСПЕРСИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ

Выше было рассмотрено упрочнение титановых сплавов, обуслов­ ленное растворенными атомами. Рассмотрим теперь второй крайний случай, когда сплав представлен матрицей и грубыми некогерентны­ ми выделениями второй фазы, находящимися на значительном рас­ стоянии друг от друга (рис. 23). Частицы второй фазы окружены по­ лями напряжений в матрице. Когда скользящая дислокация подхо­ дит достаточно близко к этим полям, она изгибается. При приближе­ нии к частицам радиус выгиба дислокаций стремится к половине расстояния между частицами (Л/2). Напряжение т, которое необхо­ димо приложить, чтобы изогнуть дислокацию в дугу радиусом Л/2, равно, по данным работы [68],

ются за ними. Смыкающиеся дислокации в точке встречи имеют раз­ ные знаки и аннигилируют. В итоге вокруг частиц второй фазы обра­ зуются дислокационные петли, а дислокации за ними принимают форму прямой линии и перемещаются далее в кристалле до следую­ щего препятствия. Такой способ преодоления дислокациями выделе­ ний называют обходом. Если по плоскости скольжения перемещает­ ся несколько дислокаций, то образуется несколько замкнутых дисло­ кационных колец вокруг частиц второй фазы. Эти кольца окружены полями напряжений, и с увеличением их числа повышается сопро­ тивление проталкиванию новых скользящих дислокаций. В этом за­ ключается основной механизм деформационного упрочнения старею­ щих сплавов.

42