Силы, действующие на дислокацию 4 страница

Обходя частицы, дислокации оставляют вокруг них дислокационные петли, продолжая скользить в прежнем направлении. Суммарная длина дислокации и, следовательно, их энергия увеличивается. Каждой новой дислокации приходится уже с большим трудом проходить между частицами, при этом сопротивление деформации возрастает, т.е. сплав упрочняется.

2.12.5. Влияние границ зерен

В поликристаллических материалах соседние зерна (кристаллиты) разделены внутренними границами зерен. Соседние зерна в общем случае имеют несовпадающие кристаллографические ориентировки, углы разориентировки превышают 15-20^о, т.е. границы зерен относятся к высокоугловым (большеугловым) границам.

Границы зерен оказывают сложное влияние на дислокации. Они создают поле напряжений и могут задерживать движение дислокаций. Барьерное воздействие границы обусловлено тем, что при переходе через нее скачкообразно изменяются плоскости и направления скольжения. С ростом угла разориентировки усиливается эффективность границ как препятствий, т.к. повышается степень несовпадения ориентации плоскостей скольжения в соседних зернах (рис. 2.53).

В этом случае дислокации, дойдя до границы, надежно задерживаются, деформация локализуется в микрообъеме, а общее сопротивление деформации всего поликристаллического образца возрастает.

 

Рис. 2.53. Схема скопления дислокаций на межзеренной границе

Известна экспериментальная зависимость между пределом текучести и размером зерна d металла (уравнение Холла-Петча)

,

(2.67)

где s_0,2 - условный предел текучести,

s_о - напряжение трения кристаллической решетки,

k - постоянная, величина которой зависит от наличия сегрегаций атомов внедрения.

Под величиной d в более широком смысле понимают расстояние, которое проходит дислокация, не встречая сопротивление (длина свободного пробега дислокации). В чистом металле это величина зерна или субзерна, в сплавах с гетерогенной структурой - расстояние между частицами второй фазы. В сталях со структурой пластинчатого перлита эффективными препятствиями для движения дислокаций являются цементитные пластинки.

Влияние границ на упрочнение в сильной мере зависит от температуры. При достаточно низких температурах (<0,25 Т_пл) граница является эффективным препятствием для распространения деформации от зерна к зерну. При высоких температурах (>0,7 Т_пл) межзеренные границы уже не являются надежными барьерами для торможения дислокаций и в этом случае большое значение приобретают диффузионные процессы.

2.12.6. Суперпозиция механизмов упрочнения

В уравнении Холла-Петча (2.67) заложена линейная аддитивность между внутризеренным (s_о) и зернограничным упрочнением (Ds_з=kd^1/2). В свою очередь, внутризеренное упрочнение данного сплава, т.е. его предел текучести без учета вклада границ зерен, можно представить также состоящим из нескольких слагаемых, каждое из которых обусловливает вклад в него того или иного механизма упрочнения. Следовательно, влияние отдельных механизмов упрочнения аддитивно, что подтверждено к настоящему времени для многих сталей и сплавов. В большинстве случаев отмечается линейная аддитивность

,

(2.68)

где n - число действующих в сплаве j - механизмов упрочнения.

Можно отметить следующие главные механизмы упрочнения (слагаемые s_j):

s_о - сопротивление решетки металла движению свободных дислокаций (напряжение трения решетки или напряжение Пайерлса-Набарро);

Ds_т.р - упрочнение твердого раствора растворенными в нем легирующими элементами и примесями (твердорастворное упрочнение);

Ds_д - упрочнение, обусловленное сопротивлением скользящей дислокации другими дислокациями в кристалле (дислокационное упрочнение);

Ds_д.у - упрочнение, вызванное образованием дисперсных частиц второй фазы при распаде пересыщенного твердого раствора (дисперсионное упрочнение);

Ds_з - упрочнение границами зерен и субзерен (зернограничное упрочнение).

В различных сталях и сплавах вклад отмеченных механизмов упрочнения в предел текучести будет различным. На рис. 2.53 показан вклад различных механизмов упрочнения на примере мартенситно-стареющих сталей.

Мартенситно-стареющие стали являются малоуглеродистыми (<0,03-0,5% С), содержат 8-20% Ni, дополнительно легированы титаном, алюминием, молибденом, кобальтом и др. Экспериментальное определение отдельных вкладов упрочнения в данных сталях позволяет выделить:

s_о=200 Н/мм² - прочность технического железа (8-12%);

Ds_т.р - его твердорастворное упрочнение (8-12%);

Ds_м - упрочнение за счет мартенситного g®a-превращения (15‑25%);

Ds_д.у - дисперсионное упрочнение при старении за счет выделения интерметаллидных фаз (35-45%);

Ds_д - дополнительное упрочнение прибавляется за счет компоненты деформационного упрочнения (15-30%).

Сочетание деформации со старением мартенсита позволяет достичь

s_в 2400 Н/мм² (кривая I).

Без деформации достигается

s_в 2000 Н/мм² (кривая II).

 

Рис. 2.54. Схема вклада различных механизмов упрочнения в прочность мартенситно-стареющих сталей (М.Д. Перкас, С.В. Грачев)