7. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Увеличение прочности и сопротивления усталости металлов и сплавов при сохранении достаточно высоких пластичности вязкости и трещиностойкости повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.

Увеличение прочности достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При этом исходит изменение состава и природы фаз, образующих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокации и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанавливают связь между структурой и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

Ниже рассмотрены различные механизмы упрочнения металлов и сплавов.

Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов.

Техническую прочность определяют описанные выше свойства и др.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом межатомного

взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига. Исходя из кристаллического строения и межатомных сил, можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по следующей формуле: , где — модуль сдвига (коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и относительным сдвигом

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100—1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 77).

Как видно из рис. 77, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей Эта величина относится к отожженным металлам. Величина отожженных металлов составляет

Повышение прочности достигается: созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой; повышением плотности дефектов (в том числе дислокаций), затрудняющих движение дислокаций.

Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис. 77), сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Эти нитевидные кристаллы небольших размеров (длиной 2—10 мм и толщиной мкм), называемые «усами», обладают прочностью, близкой к теоретической. Так, предел прочности нитевидных кристаллов железа составляет меди и цинка по сравнению 6 пределом прочности технического железа меди и цинка

Увеличение размеров усов сопровождается резким снижением прочности, что ограничивает их использование. Они нашли применение для армирования волокнистых композиционных материалов (см. с. 422), в микроэлектронике, для микроподвесок и микрорастяжек и т. д.

При возрастании количества дефектов свыше (см. рис. 77) происходит упрочнение металла вследствие взаимодействия дислокаций и торможения их движения. Связь между пределом текучести и плотностью дислокаций может быть описана уравнением

Рис. 77. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности дислокаций и других дефектов кристаллического строения металлов: 1 — теоретическая прочность; 2—4 — техническая прочность (2 — усы; 3 — чистые неупрочненные металлы; 4 — сплавы, упрочненные легированием, наклепом термической или термомехалической обработкой)

Рис. 78. Схема влияния структурного упрочнения на предел текучести вязкость разрушения и работу распространения трещины при испытании на удар КСТ: 1 — вязкое разрушение; 2 — хрупкое разрушение где — напряжение сдвига до упрочнения (после отжига); — вектор Бюргерса; а — коэффициент, зависящий от природы металла, его кристаллической решетки и структуры. Плотность дислокаций не должна превышать При большей плотности дислокаций образуются трещины.

Сопротивление пластической деформации тем выше, чем меньше подвижность дислокации, чем больше препятствий (барьеров) на их пути. Пластичность и вязкость наоборот, тем выше, чем легче осуществляется движение дислокации. Следует иметь в виду, что помимо вязкого разрушения, являющегося результатом большого числа пластических сдвигов за счет движения дислокаций по различным плоскостям скольжения, возможно хрупкое разрушение в результате зарождения и прогрессирующего развития трещины.

На рис. 78 показано влияние структурного упрочнения (создание структурных барьеров для движения дислокаций) на предел текучести трещиностойкость и работу распространения трещины КСТ. С увеличением барьеров для движения дислокаций предел текучести возрастает, а трещиностойкость и работа распространения трещины КСТ уменьшаются. В области 1 (рис. 78) надежность против внезапных хрупких разрушений высокая, так как случайные перегрузки будут сниматься пластической деформацией в устье трещины в связи низким пределом текучести и высоким значением вязкости разрушения

Область 2 (рис. 78) соответствует высокому значению и низкому значению металл может разрушаться хрупко при малых нагрузках. Поэтому во многих случах следует применять материал

6 меньшим что несколько увеличит массу конструкций, но значительно повысит сопротивление хрупкому разрушению.

Для получения высокого комплекса механических свойств (высокой конструктивной прочности), исключения возможности хрупкого разрушения нужно, чтобы барьеры, тормозящие движение дислокаций, позволяли при определенном напряжении прорываться через них дислокациям («полупроницаемые» барьеры).

Рассмотрим 6 этих позиций основные механизмы упрочнения: деформационное, твердорастворное, образование гетерогенных структур (дисперсионное упрочнение), различного рода границ и оценим их роль в охрупчивании металлов.

Деформационное упрочнение (наклеп) рассмотрено выше. Беспорядочно расположенные дислокации («лес дислокаций») в деформированном металле вызывает сильное повышение прочности при но одновременно резко снижается сопротивление хрупкому разрушению. Следовательно, деформационное упрочнение не обеспечивает высокой конструктивной прочности. Оно нашло применение для упрочнения сплавов твердых растворов.

При образовании твердых растворов и повышаются (твердо растворное упрочнение). В неупорядоченном твердом растворе возникающие вокруг атомов растворенного элемента поля упругих напряжений затрудняют скольжение дислокаций. Степень торможения дислокаций в твердом растворе определяется фактором размерного несоответствия атомов растворителя и растворенного элемента, разностью модулей упругости и возрастает пропорционально концентрации.

В первом приближении упрочнение при образовании твердого раствора может быть определено по формуле, полученной Моттом и Набарро:

где — модуль сдвига, — параметр, зависящий от различия размеров атомов растворенного компонента и растворителя — атомная концентрация растворенного компонента.

Повышение прочности (рис. 79) в твердом растворе замещения прямо пропорционально концентрации растворенного элемента (до Однако абсолютная величина упрочнения зависит от вида растворимого компонента (рис. 79). Величина при образовании твердых растворов снижается. В случае твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения при той же концентрации. Очень затрудняют движение дислокации, а следовательно, повышают прочность атмосферы Коттрелла, даже при малом

Рис. 79. Влияние атомной концентрации С растворенных в меди элементов на условный предел текучести

содержания второго компонента внедрения. Примеси внедрения сильно понижают трещиностойкость работу распространения трещины КСТ и повышают порог хладноломкости.

Очистка хладноломких металлов от примесей внедрения На) повышает работу распространения трещины, вязкость разрушения и понижает порог хладноломкости.

Основная причина охрупчивания металла в присутствии примесей внедрения — малая подвижность дислокации. Это вызвано, с одной стороны, повышенным сопротивлением решетки раствора внедрения скольжению дислокаций и, с другой стороны, закреплением дислокаций атмосферами из атомов внедрения. Из-за низкой подвижности дислокаций, а следовательно, отсутствия микропластической деформации не происходит релаксации (ослабления) напряжений у вершины хрупкой трещины, чем и объясняется низкое сопротивление распространению трещин.

Упрочнение при образовании твердого раствора достигает При повышении температуры выше упрочнение за счет образования твердого раствора сильно уменьшается.

При ограниченном легировании, твердые растворы замещения обладают достаточной пластичностью и вязкостью и служат

Рис. 80. Влияние величины зерна на условный предел текучести предел выносливости и ударную вязкость (порог хладноломкости) низкоуглеродистой стали: 1 — мелкое зерно (0,04 мм); 2 — крупное верно (0,09 мм)

новной матрицей для многих конструкционных и инструментальных сплавов.

Механические свойства сплавов твердых растворов в сильной степени зависят от величины зерна, полигонизованной структуры (субструктуры) и других структурных изменений.

Эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница — зернограничное упрочнение. Это объясняется тем, что дислокация не может перейти границу зерна, так как в новом зерне плоскости скольжения не совпадают с плоскостью движения этой дислокации. Дальнейшая деформация продолжается в результате возникновения новой дислокации в соседнем зерне, поэтому чем мельче зерно (больше протяженность границ), тем выше прочность металла (рис. 80, а).

Зависимость предела текучести от размера зерна описывается отношением Холла—Петча:

где и — постоянные для данного металла; — диаметр зерна.

Эта зависимость справедлива и для субзерен. При очень мелком зерне предел текучести может достигнуть о Повышение прочности при измельчении зерна не сопровождается охрупчиванием. Границы зерен и субзерен являются полупроницаемыми барьерами для движущихся дислокаций. Чем мельче зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина, поскольку границы зерен затрудняют переход трещины сколом из одного зерна в другое вследствие изменения ее направления движения. В то же время, зародышевые трещины при мелком зерне меньше.

Измельчение зерна понижает порог хладноломкости На рис. 80, б показано влияние величины зерна стали на температурный порог хладноломкости. Чем крупнее зерно, тем выше порог хладноломкости. Для устранения интеркристаллитного (межзеренного) хрупкого разрушения и понижения надо уменьшать скопление примесей в приграничных объемах (сегрегацию без выделения) и образование на границах зерен хрупких фаз (чаще химических соединений), особенно в виде сплошной сетки.

По данным различных работ при большей величине зерна трещиностойкость возрастает, как это имеет место в стали (см. рис. 109) и титане. Чем мельче зерно, тем выше предел выносливости (рис. 80, а), который может быть определен по формуле

— постоянные, зависящие от материала.

Измельчение зерна модифицированием, термической обработкой, легированием и т. д. является одним из перспективных методов упрочнения металлов и сплавов.

Создание в зерне препятствий для движения дислокаций в виде хорошо развитой субструктуры приводит к дополнительному

упрочнению. Образование дислокационной етруктуры по механизму полигонизации (ячеистой структуры) повышает мало изменяя и понижает порог хладноломкости

Выделение внутри зерен твердого раствора высокодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющих фаз, например, в процессе закалки и старения, сильно повышает (дисперсное упрочнение). Упрочнение при старении объясняется торможением дислокаций зонами Гинье—Престона или частицами выделений.

При образовании зон дислокации проходят через них (перерезают), что требует повышенных напряжений (рис. 81, а). Зоны имеют модуль сдвига больше, чем у исходного твердого раствора. Чем прочнее зоны и больше их модуль упругости, тем труднее они перерезаются дислокациями. Вокруг зон создается зона значительных упругих напряжений, которая также тормозит движение дислокаций, а следовательно, способствует упрочнению при старении.

В случае когерентных частиц избыточной фазы дислокации под действием приложенных напряжений либо перерезают, либо огибают эти частицы, что зависит от их размера, прочности и расстояния между ними. В случае некогерентных частиц возможно только огибание их дислокациями. На (рис. 81, б) показано сначала выгибание, а затем (при больших напряжениях) и огибание частиц дислокациями. При возрастании напряжений дислокации образуют замкнутые дислокационные петли вокруг частиц (рис. 81, б). Оставив вокруг частиц петли, дислокации продолжают скользить в прежнем направлении (эти петли или кольца, естественно, препятствуют движению новых дислокаций). Предел текучести при дисперсном упрочнении зависит от размера частиц и их объемной доли Уравнение прочности в этом случае имеет вид:

где — напряжение сдвига в матрице; — коэффициент, включающий вектор Бюргерса и модуль сдвига матрицы.

Наибольшее упрочнение наблюдается, когда вторая фаза дисперсна, равномерно распределена по объему и расстояние между частицами не велико.

Упрочнение при огибании частиц (при одной объемной доле выделений второй фазы) всегда менее эффективно, чем упрочнение при перерезании. Однако вязкость разрушения и пластичность при огибании частиц выше.

Максимальной прочности после дисперсионного старения соответствует минимальное значение Коагуляция избыточной

Рис. 81. Модель движения дислокаций в дисперсионно-твердеющих сплавах: а — перерезание дисперсной частицш дислокаций; б - выгибание и продвижение дислокаций между частицами второй фазы о образованием петель

фазы, снижая прочность повышает Упрочнение дисперсными частицами достигает но при нагреве до температуры снижается за счет их растворения.

Дисперсными частицами часто являются химические соединения. Чем сложнее кристаллическая решетка фазы упрочнителя и чем больше отличается ее состав от основного твердого раствора, тем сильнее упрочнение. Химические соединения, особенно карбиды и нитриды, имеют высокую твердость, но хрупки. Например, твердость карбида вольфрама составляет карбида титана нитрида титана Таким образом, для получения сплавов с высокой конструктивной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор (матрица) имела мелкозернистое строение с развитой внутренней субструктурой, в которой равномерно распределены высоко дисперсные частицы упрочняющей фазы. Такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движущихся дислокаций и сочетание высокой прочности пластичности вязкости разрушения вязкости и низкой температуры вязкохрупкого перехода (порог хладноломкости

Рассмотренные механизмы упрочнения положены в основу современных технологических процессов повышения конструктивной прочности металлов и сплавов.

Вопросы для самопроверки

(см. скан)

(см. скан)