книги / Строение и свойства металлических сплавов

Глава восьмая

ВОЗМОЖНОСТИ ДОСТИЖЕНИЯ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Теоретическая прочность твердых тел ф Прочность реальных кристаллов Ф

Сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций ф Упрочне­ ние за счет препятствий ф Термическая стабильность барьеров ф Мартенсит­ ная структура стали и прочность ф Химическая и структурная неоднородность и механические свойства титановых сплавов Ф Высокая прочность и компози­ ционные материалы Ф Нитевидные кристаллы ф Механизм упрочнения компо­ зиций, армированных непрерывными и короткими волокнами § Материалы, получаемые однонаправленной кристаллизацией

Повышение прочности принадлежит к числу наиболее значитель­ ных практических проблем металловедения, определивших вме­ сте с тем развитие теории дислокаций. Однако, прочность, близкая к теоретической (в нитевидных кристаллах), была полу­ чена независимо от теории. Выводы теории далеко не всегда удается применить непосредственно для решения практических вопросов прочности.

Одна из причин этого несомненно заключается в том, что прочность очень сложное и конкретное свойство. С одной сторо­ ны, она определяется силами межатомного взаимодействия и структурой металла, а с другой — условиями внешнего воздейст­ вия — нагрузки, температуры, давления, среды и времени дейст­ вия этих факторов. Задача заключается в установлении связи между микро- и макроизменением свойств с учетом реальных условий применения материала.

Прочность является наиболее структурно чувствительным свойством. Только прочность идеальных монокристаллов опре­ деляется межатомными силами. Такая прочность реализуется лишь в исключительных случаях, например в нитевидных кри­ сталлах. Обычные кристаллические тела содержат различные не­ совершенства структуры и их прочность зависит не только от характера междуатомного взаимодействия, но и в большой, степени от типа, распределения и количества несовершенств кристаллической решетки.

Путь от дислокационной модели упрочнения через лаборатор­ ные испытания образца к прочности реальной детали очень сло­ жен. Именно этим, вероятно, объясняется огромная номенкла­ тура различных материалов, разрабатываемых для удовлетворе­ ния нужд практики, и то обстоятельство, что в технический обиход в качестве конструкционных материалов постоянно посту­ пают новые вещества.

27*

Теоретическая прочность твердых тел

Существует два вида разрушения твердых тел: хрупкое и пла­ стичное. Если растягивать хрупкий стержень вдоль его оси, то разрушение произойдет по плоскостям, перпендикулярным к на­ правлению действия напряжений. Если стержень сделан из пла­ стичного материала, то разрушение будет вызвано скольжением по плоскостям, расположенным под углом 0,785 рад (45°) к оси растяжения. Реально в материале одновременно встречаются оба вида разрушения, и в самом хрупком кристалле бывает за­ метна пластическая деформация.

Согласно Оровану, теоретическая хрупкая прочность

прочность (при абсолютном нуле) совершенного кристалла по­ вышается с увеличением модуля Юнга, поверхностной энергии и с уменьшением межплоскостного расстояния. В табл. 21 при­ ведены некоторые значения теоретической прочности, рассчи­ танные по уравнению (VIII. 1).

Дальнейшие расчеты теоретической хрупкой прочности были проведены с учетом особенностей сил связи в различных кри­ сталлических структурах, для чего использовались различные потенциалы: типа Морзе (ковалентные кристаллы), Борна с уче­ том сил Ван-дер-Ваальса (ионные кристаллы), Ленарда — Джонса и другие (см. гл. I). Эти уточненные расчеты теоретиче­ ской хрупкой прочности показывают, что для неметаллических кристаллов оценка Орована завышена примерно вдвое. Однако для металлических кристаллов она остается лучшим прибли­ жением.

Впервые теоретическую прочность при сдвиге рассчитал Френкель. Если принять синусоидальную зависимость между на­ пряжением, противодействующим сдвигу, и смещением, то мак­ симальная прочность

где G — модуль сдвига;

b — период трансляции вдоль направления скольжения.

280

Анализируя перемещение атомов при сдвиге в г. ц. к. решет­ ке, Маккензи пришел к выводу о том, что теоретическая проч­ ность зависит от направления перемещения, выбором которого определяются способ деформации (скольжение, двойникование) и высота потенциального барьера (энергия системы проходит при сдвиге через максимум — перевальную точку). Маккензи установил, что в случае скольжения в зависимости от потенци­ ала в перевальной точке т = 0,028 ч - 0,039G, а нижний предел теоретической прочности при сдвиге в случае двойникования ме­ няется в пределах от G/30 до G/22. Значения теоретической проч­ ности при сдвиге, рассчитанные по формуле Маккензи, приведе­ ны в табл. 22.

Т а б л и ц а 21. Хрупкая прочность при 0 °К

Сделанные до сих пор оценки теоретической прочности при сдвиге идеальных монокристаллов выполнены в предположении, что кристалл испытывает чистый сдвиг и сила, нормальная к плоскости скольжения, отсутствует. Учет растягивающих и сжи­ мающих напряжений должен сильно повлиять на величину тт ах-

Приведенные оценки теоретической прочности относились к температуре абсолютного нуля. Однако теоретическая прочность зависит от температуры по двум причинам. Во-первых, следует учитывать температурное изменение упругих постоянных, пара­ метров решетки и поверхностной энергии и, во-вторых, термиче­ ские флуктуации. При температуре, отличной от 0° К, в кристал­ ле имеется конечная вероятность возникновения дислокаций под действием приложенных напряжений и термических флуктуаций [49, 50], что, как показывает расчет, приводит к небольшому уменьшению прочности с температурой. Между тем это проти­ воречит хорошо известному экспериментальному факту о значи­ тельном понижении прочности с температурой. Последнее обу­ словлено влиянием температуры на свойства структурных де­

281

фектов, в частности на подвижность дислокаций и скорость рас­ пространения трещин.

Прочность реальных кристаллов

Для техники важно, что свойства металла можно тем или иным способом менять в широких пределах.

В табл. 23 приведены значения предела текучести и предела прочности железа в различных состояниях.

Т а б л и ц а 23. Пределы текучести и прочности железа и сталей

Огромный спектр свойств, достигаемых для одного и того же материала за счет термической обработки, пластической дефор­ мации, введения небольших количеств примесей или, наконец, способа получения, является следствием большой чувствитель­ ности прочности к структуре металла.

282

Сложность получения высокой прочности объясняется также противоречивой сущностью самого понятия прочность. Высоко­ прочный в инженерном смысле материал должен обладать вы­ соким сопротивлением пластической деформации и высоким со­ противлением разрушению. Первое может быть обеспечено, если движение дислокаций максимально ограничено, второе требует подвижности дислокаций, необходимой для перераспределения напряжений и уменьшения их концентрации.

Роль концентрации напряжений можно оценить на примере хрупких материалов. В стекле, например, при хорошей поверх­ ности прочность достигает величины, близкой к теоретической: ~4,9 Гн/м2 (500 кГ/мм2) [266]. Однако обычное стекло хрупкое и ломается при низких напряжениях: дефекты на поверхности вызывают концентрацию напряжений, а перераспределения на­ пряжений не происходит.

Как указывалось-, теоретическая прочность при сдвиге для плотноупакованных структур составляет — 0,15G, где G — мо­ дуль упругости [49, 50]. В действительности в г. ц. к. металлах, в которых легко возникают и перемещаются дислокации, дефор­ мация происходит при очень малом напряжении: 10“4—10-5 G, а- прочность реальных сплавов составляет лишь небольшую долю от теоретической (табл. 24).

К теоретической приближается прочность нитевидных кри­ сталлов.

Т а б л и ц а 24. Прочность некоторых материалов

283

ющих материалов не использованы полностью; имеется нагляд­ ная демонстрация успехов в этом направлении.

На рис. 125 для различных материалов показана зависимость отношения действительной прочности к теоретической од/ат от эквивалентной температуры Тпси!Тпл (отношения температуры испытания к температуре плавления). Теоретическая прочность принималась G/15. (Для аустенитной нержавеющей стали, ни­ келя и кобальта она равна G/25, поскольку сильно расщеплен­ ные дислокации могут понижать теоретическую прочность, а в этих материалах энергия дефектов упаковки мала и, следова­ тельно, возможно образование устойчивых расщепленных дисло­ каций.) Почти во всем рассматриваемом температурном интер­ вале тугоплавкие металлы хуже других, что указывает на потен­

которой решетка разрушается. Модуль Юнга определяется глав­ ным образом силами связи между атомами и сравнительно мало

собой важный параметр прочности. Если жесткость недостаточ-

284

на, то при значительном напряжении в пластичном материале деформация превзойдет допустимую величину, а в хрупком — наступит разрушение.

Кроме того, как вытекает из соотношения (VIII.4), чем боль­ ше Е, тем выше потенциальная прочность. В работе [267] приве­ дены данные, согласно которым удельная жесткость многих применяемых материалов примерно одинакова (табл. 25). Этим автор объясняет многолетнюю конкуренцию между авиационны­ ми конструкциями из стали, алюминия, дерева и титана.

Т а б л и ц а 25. Удельная жесткость различных материалов

Однако многие хрупкие вещества обладают значительно бо­ лее высокой удельной жесткостью как за счет высокого модуля, так и за счет малого удельного веса (табл. 26).

Т а б л и ц а 26. Удельная жесткость хрупких веществ

285

Автор приходит к выводу [267], что для достижения высокой прочности лучше пытаться найти условия, в которых могут ра­ ботать хрупкие материалы, чем стремиться увеличить прочность широко распространенных пластичных материалов.

И все же практика продолжает эффективно улучшать проч­ ность известных материалов главным образом за счет повыше­ ния значения структурно чувствительного параметра а, теорети­ ческое значение которого должно составлять 0,05—0,2, а состав­ ляет 0,001—0,01.

Сопротивление пластической деформации — это сопротивле­ ние движению дислокаций. Показано (в опыте с LiF), что ма­ кроскопический предел текучести линейно пропорционален на­ пряжению старта вновь образованных дислокаций [265].

Проще всего повысить прочность можно было бы, увеличивая плотность последних. После сильной пластической деформации плотность дислокаций, как показывает элёктронномикроскопи-

ная плотность дислокаций в кубических кристаллах составляет ~ 1 0 15 см~2. Однако такие значения плотности дислокаций и те­ оретическая прочность при наклепе не достигаются. Кроме того, сильные искажения решетки могут привести к появлению субми­ кротрещин и охрупчиванию металла.

Следует иметь в виду, что различные барьеры, создаваемые с целью остановить движение дислокаций, имеют в разных усло­ виях разную «цену». Например, точечные дефекты при низких температурах представляют собой хорошие барьеры для движе­ ния дислокаций (вакансии в закаленном алюминии, атомы угле­ рода в мартенсите железа, дислоцированные атомы после ради­ ационного облучения). Однако с повышением, температуры эффективность таких барьеров быстро уменьшается. Практиче­ ски для повышения прочности используются все барьеры, спо­ собные эффективно затормозить движение дислокаций.

Сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций

Пластическая деформация в подавляющем большинстве слу­ чаев протекает по дислокационному механизму, за счет движе­ ния дислокаций, смешанному — дислокационному и диффузи­ онному и чисто диффузионному. Удельный вес каждого из них зависит прежде всего от температуры и условий нагружения.

Простейший случай пластической деформации происходит при движении дислокации в плоскости скольжения (консерва­ тивное движение дислокаций), в которой лежат линия дислока­ ции и ее вектор Бюргерса. При смещении атомов в плоскости скольжения силы, действующие на атом по одну сторону центра

286

дислокации, компенсируются силами, действующими по другую сторону. В этом упрощенном описании равнодействующие силы отсутствуют. Напряжение, необходимое для движения дислока­ ций, равно нулю. В действительности же из-за взаимодействия дислокаций с периодическим полем решетки возникает сопро­ тивление движению дислокаций (сила Пайерлса — Набарро).

Выделить в реальном сплаве сопротивление движению дис­ локаций самой решетки весьма сложно. Сила Пайерлса — На­ барро

возрастает с уменьшением ширины дислокации.

Сопротивление решетки движению дислокаций определяется действием различных механизмов. Сложный расчет суммарного эффекта действия всех этих механизмов показывает, что сила трения меняется с температурой и примерно равна 10-3—10-5G. Расчет удовлетворительно совпадает с опытом.

Из соотношения (VIII.5) вытекает, что ширина дислокации обратно пропорциональна отношению теоретической прочности при сдвиге к модулю сдвига т теор/<?, которое в свою очередь за­ висит от типа связей в кристаллической решетке.

Из табл. 22 следует, что отношение хтеор/G велико у кова­ лентных и ионных кристаллов (кремний, алмаз, корунд — АЬОз). В этих кристаллах благодаря жесткости направленных связей дислокации узки, потенциальный барьер Пайерлса высок и при невысоких температурах дислокации неподвижны, что приводит к хрупкому разрушению. При температурах не ниже 7гГпл дис­ локации становятся подвижными и разрушение происходит в результате пластической деформации. В г. ц. к. металлах ттеор/б мало, ширина дислокаций больше и они подвижны. Поэтому разрушение кристалла происходит пластично даже при пони­ женных температурах. В о. ц. к. металлах (вольфраме, железе, хроме) отношение ттеор/С больше, чем в г. ц. к. Дислокации в них менее подвижны.

В соответствии с изложенным в металлических г. ц. к. кри­ сталлах (алюминий, свинец, медь) напряжения старта дислока­ ций малы: 10-4«G (G — модуль сдвига), в ковалентных ~ 10-2G, что отвечает сопротивлению движения дислокаций со стороны самой решетки. Действительно, в монокристаллах кремния после тщательной обработки поверхности образца с целью удаления

287

концентраторов напряжений удавалось получить очень высокую макроскопическую прочность: ~5000 Мн/м2 (500 кГ1мм2).

и г. ц. к. металлов.

Прямое измерение скорости движения дислокаций в молибде­ не в зависимости от времени и температуры [297] привело к вы­ воду о том, что деформация в о. ц. к. металлах ниже 0,2ГПл контролируется дислокационным механизмом и связана в соот­ ветствии с моделью Зегера с термически активируемым преодо­ лением сил Пайерлса — Набарро путем образования перегибов (kinks). Автор полагает, что этот вывод можно распространить на все тугоплавкие переходные о. ц. к. металлы V и VI групп, а также на железо.

В работе [297] развита теория напряжений Пайерлса для дви­ жения винтовых дислокаций в о. ц. к. металлах. Геометрия кри­ сталла приводит к высоким значениям напряжения Пайерлса. Рассчитанное из потенциальной энергии недиссоциированной винтовой дислокации напряжение составляет величину ~0,05G, что на порядок больше принятой для о. ц. к. переходных метал­ лов. Вместе с тем силы Пайерлса для случая краевой дислока­ ции в о. ц. к. и г. ц. к. кристаллах, по-видимому, значительно не отличаются. Как показано электронномикроскопическим иссле­ дованием [19], доминирующую роль при деформации в о. ц. к. металлах играют винтовые дислокации. Вероятно, особенности поведения о. ц. к. металлов, в частности хладноломкость, связа­ ны со сложным влиянием сил Пайерлса и примесей внедрения на движение дислокаций [6, 297].

Поскольку силы трения решетки в о. ц. к. металлах весьма значительны при очень низких температурах, это может озна­ чать, что с понижением температуры возрастает доля ковалент­ ных связей в кристаллической решетке.

В работе [269] с учетом трения решетки рассмотрены некото­ рые свойства интерметаллида Ni3Al, в котором действуют как ковалентные, так и металлические связи. Соединение представ­ ляет практический интерес, поскольку является основной упроч­ няющей фазой в никелевых жаропрочных сплавах.

Предел текучести и твердость этого соединения возрастают с повышением температуры от температуры жидкого азота до 600° С (рис. 126) (подобный характер изменения свойств наблю­ дается для многих хрупких материалов, например для графита). Такое изменение прочности, как показал анализ, по-видимому, связано с изменением сопротивления решетки движению дисло­ каций, которое в этом соединении возрастает с повышением температуры.

288