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

При увеличении дисперсности системы, т. е. при уменьшении раз­ меров частиц и расстояний между ними, радиус изгиба дислокаций уменьшается, а напряжение проталкивания в соответствии с уравпением (32) увеличивается. Наконец, расстояние между выделениями

тем обхода

становится равным удвоенному критическому радиусу R, на кото­ рый можно изогнуть дислокацию. Этому наименьшему радиусу R соответствует наибольшее напряжение течения.

По Мотту и Набарро наибольшее напряжение течения не зависит от расстояния между частицами и определяется уравнением

Таким образом, наибольшее дисперсионное упрочнение прямо про­ порционально размерному фактору е и концентрации легирующего элемента. С другой стороны, это напряжение течения Тщал можно

ментальные данные для состаренных сплавов действительно показы­ вают, что максимальное упрочнение при старении достигается при

О

расстоянии между частицами порядка 200 А.

Дислокации могут также преодолевать частицы вторых фаз, пе­ ререзая их, как схематически показано на рис. 24. Плоскости сколь­ жения в матрице и частице обычно не совпадают и поэтому переме­ щение дислокации через включение вызывает в нем сильное наруше­ ние в расположении атомов. Следует также отметить, что ввиду ма­ лых размеров частицы вторых фаз часто не содержат дислокаций и поэтому имеют теоретическую прочность. При перерезании частиц возникают также ступеньки сдвига и дополнительная поверхностная энергия. Вследствие указанных причин перерезание частиц второй фазы дислокациями требует затраты довольно большой энергии, что обусловливает значительное дополнительное упрочнение металла. Способ преодоления дислокациями частиц второй фазы зависит от многих факторов. Некогерентные выделения из-за большой поверх-

43

постной энергии обычно не перерезаются, а преодолеваются дисло­ кациями путем выгибания дислокационной линии и обхода препят­ ствий с образованием дислокационных колец около последних. Ко­ герентные зоны вторых фаз преодолеваются путем перерезания или обхода [69]. Если когерентные зоны невелики и расстояние между

1 О О

Рис. 24. Схема преодоления выделений второй фазы дис­ локациями путем перерезания

ними настолько мало, что дислокации не могут пройти между ними при достигаемых критических напряжениях сдвига тт ах, то частицы преодолеваются путем перерезания. С укрупнением когерентных ча­ стиц упрочнение, обусловленное ими, возрастает (рис. 25) до тех пор, пока они не достигнут критического радиуса. При критическом размере расстояние между частицами становится достаточно боль-

шим и дислокации уже могут преодолевать их путем обхода. При критическом размере частиц упрочнение сплавов максимально и даль­ нейшее укрупнение частиц приводит к уменьшению упрочнения.

Типичная зависимость предела текучести металла от времени ста­ рения иллюстрируется рис. 26. В соответствии с представлениями Анселла и Ленела [70] предел текучести стареющих сплавов с уве­ личением длительности старения возрастает из-за увеличения объем­ ной доли f когерентных зон или выделений. Если частицы когерент­ ны с матрицей, то при упрочнении нужно учитывать не геометриче­ ские размеры зон, а размеры поля деформаций вокруг них. На некоторой стадии старения когерентные зоны сменяются некогерент­ ными частицами и эффективная доля f выделений уменьшается. Если этот процесс происходит постепенно при все продолжающемся выделении второй фазы из пересыщенного раствора, то уменьшения предела текучести не происходит, но темп его нарастания снижается. Наконец, вся фаза выделяется из пересыщенного твердого раствора,

44

Но размеры частиц остаются мелкими. При дальнейшем увеличении длительности старения предел текучести не меняется, так как на стадии мелких частиц упрочнение определяется объемной долей вы­ делившейся фазы, а не расстоянием между частицами. На опреде­ ленной стадии старения частицы достигают критического диаметра. При размерах частиц выше критического диаметра упрочнение уменьшается с увеличением расстояния ме­ жду ними по изложенным выше причинам.

Механизм преодоления дислокациями частиц вто­ рой фазы определяет не только прочностные, но и пластические свойства спла­ вов. При переходе от пере­ резания частиц к их обхо­ ду дислокациями происхо­ дят сильные изменения в распределении линий сколь­ жения [7IJ. При действии механизма перерезания об­ разуются мощные скопле­ ния дислокаций, пластиче­ ская деформация сильно локализована и в образце образуется небольшое число линий скольжения, располо­

женных на большом расстоянии друг от друга. Высокая концентра­ ция напряжений в голове скопления способствует легкому зарожде­ нию трещин и может привести к преждевременному хрупкому раз­ рушению.

Когда действует механизм обхода, пластическая деформация про­ исходит более равномерно, линии скольжения и дислокации располо­ жены более однородно. Мощных скоплений дислокаций в этом слу­ чае не образуется, возникновение сильной концентрации напряжений невозможно и сплав оказывается более пластичным. Следовательно, регулируя размеры частиц, расстояние между ними, их распределе­ ние, можно повысить пластические свойства сплава при одновремен­ ном улучшении прочностных характеристик. Для этого необходимо, чтобы размеры частиц несколько (но не намного) превышали крити­ ческий радиус (рис. 25).

В этом отношении представляет интерес работа [71], в которой было изучено влияние режимов старения (отжига) на механические

(рис. 27), и их разрушение происходило при малых напряжениях и нулевом удлинении. При повышении температуры нагрева свыше 800° С пределы прочности и текучести возрастают и достигают мак-

45

* Для o f взята величина о„, =28 кгс/ммг для однофазного образца сплава Ti — 9,7% (ат.) А1, отожженного при 950° С.

симума после отжига при 900° С. Максимуму прочностных характе­ ристик соответствует максимум удлинения.

Исследование структуры образцов в электронном микроскопе по­ казало, что, когда сплавы находятся полностью в хрупком состоянии, наблюдается лишь несколько полос скольжения, а области между ними свободны от дислокаций. Полосы же содержат такое большое количество дислокаций, что разделение отдельных дислокаций за­ труднено.

Относительно пластичному состоянию сплавов соответствовали тонкие линии скольжения и однородное распределение дислокаций. В этом случае дислокации огибали частицы и последние оставались целыми, неразрушенными. Таким обр'азом, в работе [70] было экс­ периментально доказано, что, регулируя размер и объемную долю частиц, можно изменить механизм преодолевания дислокациями пре­ пятствий и перевести металл из хрупкого состояния в пластичное.

В той же работе по соответствующим теоретическим формулам

пряжений вокруг частицы мало. В этом случае упрочнение при пере­ резании тд обусловлено образованием дополнительной антифазной границы, ее энергией, радиусом и объемной долей частиц. Суммар­ ное напряжение огт

где а т — предел текучести матрицы, свободной от частиц.

Дислокации перерезают частицы пли обходят их в зависимости от того, какой механизм требует меньших напряжений сдвига. Как видно из табл. 7, наблюдается удовлетворительное соответствие меж­ ду экспериментом и теорией как для механизма преодоления дисло­ кациями частиц, так и для величины упрочнения.

Г л а в а 3

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА

ОСНОВНЫЕ ПРИМЕСИ В ТИТАНЕ

Механические свойства титана зависят от неизбежно присутству­ ющих в нем примесей. Эти примеси разделяют на две группы:

Взаимодействие титана с примесями описано во многих работах, обзор которых дан в монографиях [1—3, 9,72].

Кислород и азот растворяются в титане в весьма больших коли­ чествах. Растворимость кислорода и азота в а-титане при темпера-

47