Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и сплавов. Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металл. Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и сплавов
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
поперечным скольжением. Пройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения и удалившись от барьера, винтовая дислокация может перейти в атомную плоскость S, параллельную исходной плоскости скольжения Р. В этом случае принято говорить о двойном поперечном скольжении. Если такой процесс повторяется многократно, то его называют множественным поперечным скольжением. [3] Для винтовой дислокации ее линия l по направлению совпадает с вектором Бюргерса b , но перпендикулярна направлению перемещения h . Следовательно, в отличие от краевой дислокации, для винтовой характерны следующие ориентационные соотношения между этими показателями: l || b, l ⊥ h. Стоит отметить,что разные по типу дислокации (краевая и винтовая), перемещаясь через весь кристалл под действием однонаправленного напряжения τ, дадут одинаковый конечный результат – сдвиг на дискретное расстояние, равное величине вектора Бюргерса (рис. 20). [3] Вектор Бюргерса. Вектор Бюргерса (b) — количественная характеристика, описывающая искажения кристаллической решётки вокруг дислокации (рис. 21). [7] Вектор Бюргерса получается, если в реальном кристалле обойти контур, который был бы замкнутым в идеальном кристалле (например, в примитивном кристалле кубической сингонии это контур " n связей вверх, m связей вправо, n связей вниз, m связей влево"), заключив дислокацию "внутрь" контура. Как видно на рис. 21, в реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор b , который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса. [7] Величина и направление вектора не зависят от размеров контура Бюргерса и выбора точки начала контура, а полностью определяются видом дислокации. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации — параллелен ей. [7] Полные дислокации легко перемещаются под действием напряжений в отличие от частичных дислокаций, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния. Рис. 20. Перемещение краевой (а), винтовой (б) дислокации и дискретный сдвиг на величину межатомного расстояния (в) Рис. 21. Контуры вектора Бюргерса для идеальной решетки (а) и краевой дислокаций (б) 21 Скачок вектора Бюргерса в некоторой точке означает, что дислокация ветвится. Если точек ветвления нет, то вектор Бюргерса остаётся неизменным вдоль всей длины дислокации, поэтому дислокация не может начинаться или обрываться внутри кристалла. Внутри кристалла дислокации связаны в единую объемную сетку; в каждом узле сетки соединены три дислокации и сумма их векторов Бюргерса равна нулю. В кристаллах содержатся дислокации разных знаков, различающиеся ориентаций векторов Бюргерса. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков— притягиваются. [7] У вектора Бюргерса есть ряд особенностей: − Вектор Бюргерса нонвариантен, то есть неизменен. Следовательно, дислокация не может оборваться в кристалле. − Энергия упругих искажений решетки пропорциональна квадрату модуля вектора Бюргерса. − При движении решеточной дислокации с вектором Бюргерса, равным периоду трансляции решетки, кристаллическая решетка не изменяется. [7] 5.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДЕФЕКТОВ ДРУГ С ДРУГОМ. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. В реальных кристаллах присутствуют и дислокации, и точечные дефекты. 1) Междоузельный атом и дислокация. Между ними и дислокациями возникает упругое взаимодействие. Если в кристалле имеются примесные атомы, то между ними и краевыми дислокациями тоже существует взаимодействие. Примесь является центром расширения или сжатия. Это приводит к тому, что инородные атомы притягиваются дислокацией и располагаются вокруг нее. Говорят, что вокруг дислокаций образуется атмосфера примесных атомов, называемая облаками Коттрелла. [7] 2) В большинстве реальных кристаллов вследствие их анизотропии искажения, вносимые дефектами, являются несимметричными. Это ведет к их взаимодействию со скалывающими напряжениями вокруг винтовой дислокации. [7] 3) Аннигиляция точечных дефектов. Краевая дислокация, переходящая из одной плоскости скольжения в другую, расположенную выше на одно межатомное расстояние, называется ступенькой. Если расстояние между плоскостями скольжения равно одному периоду решетки, то дислокационную ступеньку называют единичной, в случае более удаленных друг от друга плоскостей скольжения ее называют сверхступенькой.[7] 22 Если к точке А единичной дислокационной ступеньки (рис. 22) подходит вакансия, то ступенька смещается в положение В, а сама вакансия исчезает. Если же к точке А подходит межузельный атом, то процесс аналогичен и ступенька смещается в С с поглощением межузельного атома. [7] Взаимодействие дислокаций друг с другом. При движении дислокаций в кристалле происходит взаимодействие их друг с другом. Оно сложно и многообразно. Взаимодействие меняется в зависимости от того, как расположены относительно друг друга плоскости скольжения дислокаций. 1) Взаимодействие двух дислокаций, расположенных в одной плоскости скольжения (в данном случае винтовые дислокации взаимодействуют аналогично краевым дислокациям) [7]: Если дислокации имеют один знак, то при их сближении будут взаимодействовать участки решётки с искажениями одного знака, что должно привести к усилению нарушения строения решётки. В этом случае одноимённые дислокации отталкиваются. [7] Когда дислокации имеют противоположные знаки, их сближение под действием касательного напряжения приводит к уменьшению искажений решётки, т.к. сжатые и растянутые участки совмещаются. Следовательно, обе дислокации притягиваются, что приводит к их исчезновению. 2) Взаимодействие дислокаций, расположенных в соседних параллельных плоскостях скольжения: Если краевые дислокации имеют разный знак, то при встрече происходит аннигиляция. Когда дислокации обращены друг к другу растянутыми участками решётки, в месте их слияния образуется ряд вакансий, расположенных вдоль линии дислокации. Если дислокации обращены друг к другу экстраплоскостью, то в зоне их слияния образуется ряд дислоцированных или межузельных атомов. [7] Взаимодействие винтовых дислокаций имеет более простой характер, так как искажения решётки вокруг них одинаковы по обе стороны плоскости скольжения. Дислокации одного знака в этом случае отталкиваются, а противоположного – притягиваются. [7] 3) Взаимодействие дислокаций, расположенных в пересекающихся плоскостях скольжения: При пересечении дислокаций на плоскостях них возникают пороги – ступеньки. Его величина на одной дислокации соответствует вектору Бюргерса другой дислокации. Порог имеет краевую ориентацию. Он подвижен и не тормозит продвижение дислокации. Торможение обусловлено тем, Рис. 22. Аннигиляция точечных дефектов на ступеньке краевой дислокации 23 что направление легкого скольжения таких порогов не совпадает с направлением скольжения дислокаций, образовавших пороги при своём пересечении. [7] В случае взаимодействия двух краевых дислокаций с параллельными векторами Бюргерса, на обеих дислокациях образуются неподвижные пороги винтовой ориентации, тормозящие движение этих дислокаций. При пересечении краевых дислокаций с произвольно ориентированными друг относительно друга векторами Бюргерса, на дислокациях образуются пороги смешанной ориентации. [7] Винтовая дислокация может пересекать неподвижную краевую. Когда вектор Бюргерса винтовой дислокации совпадает с плоскостью скольжения краевой, при пересечении дислокаций образуется ступенька с винтовой ориентацией. В случае взаимно перпендикулярных векторов Бюргерса винтовой и краевой дислокации образуется ступенька с краевой ориентацией. Если наоборот, неподвижная винтовая, и к ней движется краевая дислокация, то с приближением винтовой поверхности краевая дислокация постепенно искривляется и после пересечения на краевой дислокации образуется подвижный порог с краевой ориентацией, а на винтовой – неподвижный порог, имеющий краевую ориентацию. При пересечении двух винтовых дислокаций на них образуются пороги с краевой ориентаций. [7] Взаимодействие дислокаций с границами зерен и субзерен. Скользящая дислокация, дойдя до межзеренной границы, останавливается. Следующая дислокация, скользящая в той же плоскости по направлению к границе зерен, будет испытывать отталкивание со стороны поля упругих напряжений ранее остановившейся дислокации и после некоторого сближения с ней также полностью затормозится, и т. д. Около межзеренной границы как около барьера возникает нагромождение дислокаций. Пластическая деформация передается от зерна к зерну не переходом скользящих дислокаций через границу, а эстафетным путем. [7] Двойниковая граница, как и межзеренная, из-за различия в ориентировке плоскостей скольжения по обе стороны от нее является барьером для дислокаций. [7] Отдельные дислокации из дислокационной стенки (границы субзерна) могут выбиваться скользящей дислокацией. Чем больше угол разориентировки соседних субзерен, тем ближе одна к другой и сильнее связаны дислокации в стенке и эффективнее барьерное действие субзеренной границы. [7] Граница между разными фазами может стать эффективным барьером для скользящих дислокаций. При переходе через межфазовую границу изменяется не только ориентировка, но и тип решетки. Но полная остановка дислокаций у межфазовой границ происходит только тогда, когда граница непрерывна и имеет достаточно большую протяженность. [7] 24 Таким образом, дефекты влияют на свойства материала за счет передвижения по кристаллической решетке и взаимодействия друг с другом. Управляя данными процессами, можно менять свойства металлов и металлических сплавов, поскольку они регулируют плотность дефектов. 6. ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ЧИСЛА ДЕФЕКТОВ. Для проведения многих гетерогенных процессов бывает нужно иметь твердое тело с очень развитой внутренней поверхностью. Регулировка количества дефектов кристаллической решетки позволяет модифицировать свойства веществ в желаемом направлении, что, в свою очередь, дает возможность получать новые типы материалов с заранее заданными признаками. В кристаллах дефекты вызывают упругие искажения структуры, обусловливающие, в свою очередь, появление внутренних механических напряжений. Например, точечные дефекты, взаимодействуя с дислокациями, упрочняют или разупрочняют кристаллы. Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства металлов. Чем больше поверхность границ в единице объема, тем прочнее металл. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Объёмные дефекты снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации.[3] При взаимодействии движущихся дислокаций с препятствиями происходит рост числа дислокаций (их размножение). Увеличение плотности дислокаций и возрастание концентрации примесей приводит к сильному торможению дислокаций и прекращению их движения. Дислокации оказывают влияние на механические свойства кристаллов, а так же на физические, химические, технологические и эксплуатационные. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, пластичность, упругость, хрупкость и др [7] Влиять на дислокации можно с помощью деформации. Деформация — изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки). [9,11] Деформируемость — способность заготовок воспринимать пластическую деформацию в процессе технологических операций: гибки, ковки, штамповки, волочения, проката и прессования без нарушения ее целостности. Деформируемость зависит от химического состава, механических свойств, скорости деформации, а также температуры и величины деформации при каждой операции. Исследования и практика показывают, что с увеличением степени деформации металла при определенном температурно-скоростном режиме значительно повышаются пределы упругости, 25 текучести и прочности и твердость металла. Одновременно с этим уменьшаются показатели пластичности: относительное удлинение, ударная вязкость. [12,13] У сильно деформированных металлов значения предела текучести и предела прочности практически равны, а величина пластичности близка к нулю. Это состояние металла характеризуется как предельное деформированное, предшествующее разрушению. Плотность дислокаций составляет p=10 12 см -2 , бóльшую их плотность создать невозможно, так как неизбежно возникают зародыши трещин. Наличие трещин резко снижает прочность как материалов на металлической основе, так и неметаллических материалов. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений, они ведут к разрушению, как и скопления дислокаций, вызывающие появление внутренних напряжений. Упрочняемость металла зависит от количества дислокаций, участвующих в процессе пластической деформации, и характера их движения. Дислокации играют важнейшую роль в теории прочности, пластичности и разрушения металлов. Влияние их на прочность неоднозначно: с появлением дислокаций прочность идеального кристалла резко снижается, но при очень большой их плотности снова начинает расти (рис. 23). [7] Если плотность меньше значения a , то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. [7] На начальной стадии процесса деформации наблюдается скольжение единичных дислокаций, торможение которых (упрочнение) осуществляется только границами субзерен и поэтому невелико. Далее начинается турбулентное скольжение большого числа дислокаций. Упрочнение происходит за счет малоподвижных порогов и барьеров. Скорость упрочнения максимальная. Далее скольжение идет преимущественно за счет поперечного скольжения винтовых дислокаций. Упрочнение при пластической деформации обусловлено образованием малоподвижных порогов и барьеров при пересечении дислокаций, увеличением плотности дислокаций, измельчением зерна.[14] Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки или увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций. Пластичность и вязкость, наоборот, тем выше, чем легче осуществляется движение дислокации.[9] Рис. 23. Влияние плотности дислокаций на прочность: 1 – идеальный кристалл; 2 – «усы», кристаллы с минимальной плотностью дефектов; 3 – отожженные металлы; 4 – сильно деформированные металлы с высокой плотностью дислокаций 26 На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение, создается введением легирующих элементов, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким. Влияние высоких температур на механические свойства. Стали должны обладать достаточно высоким комплексом механических свойств при комнатной и рабочей температурах. При повышении температуры характеристики механических свойств стали изменяются. При комнатной температуре на кривой растяжения углеродистых сталей наблюдается отчетливо выраженная площадка текучести, с повышением температуры испытания она становится меньше и около 300 °С исчезает. В интервале температур так называемой синеломкости (200...300 °С) повышается прочность и снижается пластичность стали, поэтому следует избегать пластического деформирования малоуглеродистых сталей при этих температурах. Этот интервал назван так потому, что после выдержки стали при температуре около 300 °С светлая механически обработанная поверхность стали приобретает синий цвет, что обусловлено образованием тонкой окисной пленки. Снижение пластичности и повышение прочности в интервале синеломкости связано с диффузионной подвижностью атомов примесей. Пластическая деформация происходит путем перемещения дислокаций. Вокруг ядра дислокации, где имеются искажения кристаллической решетки, облегчается растворение атомов примесей. Поэтому вокруг нее образуется «облако» примесей. В процессе пластической деформации «облако» двигается за дислокацией и тормозит ее перемещение. В результате пластичность снижается, а прочность возрастает. При температурах, меньших интервала синеломкости, диффузионная подвижность «облака» мала и дислокация легко обгоняет его. При температурах выше интервала синеломкости диффузионная подвижность «облака» настолько возрастает, что оно практически перестает тормозить перемещение дислокаций, и пластичность вновь возрастает.[12] В ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая существует при данной температуре или давлении. Существование одного и того же металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма. [14] Такая особенность металлов существенно влияет на структурообразование и механические свойства в процессе термической обработки или горячей деформации. Поэтому при выборе режимов термической обработки или горячей деформации температуру нагрева назначают выше критической температуры полиморфного превращения. [14] 27 7. СПОСОБЫ ВЛИЯНИЯ НА ПЛОТНОСТЬ ДЕФЕКТОВ. Для того чтобы повлиять на плотность дефектов, нужно поменять структуру материала, с помощью которой мы управляем свойствами металлов и сплавов. Управлять структурой можно разными способами: пластической деформацией, термической (ТО) и термомеханической (ТМО) обработкой, легированием, поверхностным пластическим деформированием, поверхностной закалкой, химико-термической обработкой и нанесением защитных покрытий. Рассмотрим некоторые из них. Почти все стальные детали в процессе изготовления подвергаются |