6.2. Пути повышения прочности

В начале этой лекции отмечали, что механические свойства, в том числе и прочность, являются структурно чувствительными. Возникающие напряжения вызывают появление дислокации, их перемещение по плоскостям скольжения. Так могут осуществляться пластические сдвиги и пластические деформации. При движении дислокаций последние, встречая на своем пути точечные дефекты, а также другие дислокации или их скопления (границы зерен, блоков и др.) тормозятся, и кристалл тем самым упрочняется.

В этой связи для увеличения прочности металлических материалов необходимо затруднить движение и размножение дислокаций, зарождение и распространение трещин. Это возможно реализовать двумя путями.

Первый из них связан с созданием бездефектных кристаллов, в которых устранены источники внутренних напряжений. Этот путь поиска технологии получения бездефектных монокристаллов. Ближе всего к этим требованиям подходят нитевидные кристаллы, которые содержат на весь объем (диаметр до 10 мкм) одну винтовую дислокацию. Прочность их близка к теоретической. Так у железа она составляет 1.34∙ 10¹⁰Па, цинка  2.3∙ 10⁹Па против обычных кристаллов, где она равна 3 ∙10⁸Па и 1.8∙10⁸Па. Упругая деформация в нитевидных кристаллах достигает  5, 6% и затем эти монокристаллы хрупко разрушаются, в то время как у железа, полученного обычным способом при деформации всего 0,01 % начинается заметное пластическое течение.

Второй путь состоит в максимальном искажении внутренней структуры кристалла, например, введением точечных дефектов, выделением дисперсных фаз и сильным пластическим деформированием. Такие дефекты затрудняют движение дислокаций, распространение трещин и тем самым упрочняют материал. Имеющиеся в кристалле примесные атомы могут играть двоякую роль. Примесные атомы могут увеличивать напряжение, необходимое для движения дислокаций. Прежде всего, они могут располагаться преимущественно вблизи дислокаций, что приводит к релаксации больших упругих искажений вокруг дислокаций. Для того, чтобы дислокация могла двигаться, она должна «разорвать» примесную атмосферу – этот процесс называется разблокированием.

Далее примеси могут образовывать сегрегации или выделения в решетке, которые служат барьерами при движении дислокаций. Дислокация останавливается у барьера и для движения ей необходима дополнительная сила.

Существуют пути упрочнения с помощью дислокаций. Для объяснения пластической деформации предполагают процесс размножения дислокаций. Новые дислокации, появившиеся в процессе деформации, вносят вклад в упрочнение кристалла, вызванное взаимодействием дислокаций. Этот процесс носит название деформационного упрочнения. Он зависит от кристаллической структуры, энергии дефектов упаковки, температуры и скорости деформации. Из-за сложности физических процессов до сих пор нет единой теории деформационного упрочнения.

К путям упрочнения можно отнести и легирование, которое приводит к образованию твердых растворов замещения, твердых растворов внедрения и геттерогенной системы. Эти сплавы таким образом упрочнены по сравнению с чистыми металлами, зато проигрывают в пластичности, которая становится ниже.

Механические свойства тел изменяются при облучении. Здесь различают радиационное упрочнение и радиационное охрупчивание, которые происходят за счет образования радиационных дефектов и радиационного легирования.

На практике с целью упрочнения используется также механико-термическая обработка, которая сочетает небольшую пластическую деформацию (10-15 %) и стабилизирующий отжиг. В результате улучшаются механические свойства (прочность и пластичность) за счет деформирования специфических дислокационных субструктур. Упрочняющий эффект обусловлен созданием повышенной плотности внутризеренных границ ячеистой структуры взаимодействующих с растворенными атомами примеси и с подвижными линейными дефектами.

Для примера рассмотрим некоторые результаты экспериментальных испытаний различных металлов (рис.6.5).

Результаты, представленные на рис.6.5 выявляют довольно сложную картину. Продолжительность станции I и начало III чувствительны к температуре, составу и объему кристалла. Стадия II не зависит от них. Для кристаллов же с объемноцентрированной решеткой на кривой  наблюдаются четыре стадии: А – микродеформация до предела текучести, В – зуб текучести, С – распространение течения, Д – однородное упрочнение.

а

б

Рис. 6. 5 Типичные кривые диформационного упрочнения а) монокристалл с ГЦК, б) монокристалл с ОЦК решеткой

Все эти стадии связываются с динамикой дислокаций. Здесь попытаемся объяснить наиболее интересную стадию В. Предположим, что деформируем кристалл с малой плотностью дислокации, как показано на рис. 6.5 с постоянной скоростью деформации. При малых напряжениях дислокации не могут быстро двигаться, и тем самым не обеспечивается скорость деформации образца, т.е. напряжение растет. Со временем дислокации размножаются, и их движение увеличивается. При этом плотность дислокаций также растет и, следовательно, напряжение падает до тех пор, пока движение дислокаций не замедлится настолько, что скорость деформации кристалла снова станет равной скорости деформирования заданной разрывной машиной. Величина зуба текучести зависит от скорости размножения.