Механические свойства металлов (Учебник для вузов)

Увеличение сил трения при образовании твердых растворов должно вызывать прирост всех характеристик сопро¬тивления пластической деформации, начиная от предела упругости и кончая истинным сопротивлением разрыву. Второй основной механизм растворного упрочнения — образование примесных атмосфер на дислокациях — действует в большинстве случаев лишь на начальных стадиях пластической деформации и влияет в основном на пределы упругости и текучести. Но если при растяжении в образце идет динамическое деформационное старение, то механизм закрепления дислокаций примесными атмосферами может работать вплоть до поздних стадий деформации, обусловливая, в частности, прирост предела прочности. Выше уже было рассмотрено влияние примесей внед¬рения, образующих атмосферы Коттрелла, на предел текучести о. ц. к. металлов. В твердых растворах с г. ц. к. и г. п. решетками большое значение имеет закрепление растяну¬тых дислокаций атмосферами Сузуки, возникающими из-за разницы в растворимости легирующего элемента в дефекте упаковки и окружающей его матрице. Если коттреловские атмосферы «размываются» при относительно низких температурах (часто <0,3—0,4 Тпл), то атмосферы Сузу¬ки сохраняются вплоть до 0,5—0,55 Тпл. Они обеспечивают прирост прочностных характеристик в более широком интервале температур испытания. Притяжение растворенных атомов к дислокациям можно объяснить также и их электростатическим взаимодействием: ядро дислокации имеет электрический заряд и реагирует с дополнительным зарядом, который возникает у инородного атома с отличной от растворителя валентностью. Чем больше разница в валентностях, тем сильнее электростатическое взаимодействие. По расчетным оценкам оно составляет около 20 % от упругого. Третий механизм растворного упрочнения связан с влиянием легирования на дислокационную структуру. Мы уже знаем, что легирование может существенно сказываться на энергии дефекта упаковки в твердых растворах (обычно снижать ее). Наблюдающееся в результате этого затруднение поперечного скольжения вносит вклад в прирост прочности, особенно на поздних стадиях деформации. Легирование, вызывая блокировку дислокаций, увеличение сил трения, изменение энергии дефекта упаковки, приводит к формированию иных дислокационных структур во время растяжения, наблюдается изменение механических свойств, связанное с влиянием субструктуры. Итак, легирование металлов растворимыми добавками вызывает упрочнение по целому ряду причин. Механизмы упрочнения разнообразны и часто действуют совместно. В большинстве случаев мы еще не можем количественно оценивать вклад того или иного механизма в общее упрочнение. Но даже качественный анализ этих механизмов позволяет наметить принципиальные критерии выбора легирующих элементов для получения максимального растворного упрочнения. К таким критериям можно отнести: 1) величину растворимости легирующего элемента в основе (прочностные свойства растут с увеличением легированности); 2) способ растворения атомов добавки (замещение или внедрение); 3) разницу в атомных размерах добавки и основы; 4) разницу в валентностях легирующего элемента и растворителя; 5)разницу в упругих константах основы и добавки (понятно, что чем больше эта разница, как и в п. 3, 4, тем значительнее прирост прочностных характеристик). При создании высокопрочных сплавов легирующие элементы стремятся выбирать таким образом, чтобы макси¬мально использовать все перечисленные критерии. Но осуществить это на практике трудно. Например, создание сильнолегированных твердых растворов внедрения невозможно из-за низкой растворимости элементов внедрения в металлах и высокой хрупкости растворов внедрения. Следует отметить, что вообще сильное растворное упроч¬нение часто сопровождается снижением характеристик пластичности, поскольку существенное ограничение под¬вижности дислокаций должно вызывать уменьшение производимой ими деформации. Это не значит, что любому растворному упрочнению должно соответствовать сниже¬ние пластичности. Достаточно часто, например, при увеличении концентрации цинка в а- латунях, параллельно растут прочность и пластичность твердых растворов. Механические свойства металла или твердого раствора заданного состава могут существенно изменяться в зависимости от их структурного состояния. Выше уже отмеча¬лось, что измельчение зерна повышает прочностные и пластические характеристики. упрочнению способствует также увеличение плотности дислокаций, создание полигонизованных структур. В деформированных металлах и сплавах, для которых характерно наличие текстуры, механические свойства образцов, вырезанных и растягиваемых при испытании вдоль направления деформации (прокатки, прессования), обычно выше, чем в поперечном направлении. Влияние выделений избыточных фаз Выделения избыточных фаз могут обеспечить прирост прочности вплоть до температуры солидуса сплава. Но не все Выделения вызывают упрочнение, а если оно и наблю¬дается, то изменяется в широких пределах. Прирост проч¬ности за счет введения частиц избыточных фаз зависит в первую очередь от свойств и структуры этих фаз, их связи со структурой матрицы, формы и размера частиц и расстояния между ними, характера распределения частиц в матрице. В общем можно сказать, что наибольшего упрочнения сплава можно ожидать в тех случаях, когда вторая фаза дисперсна, равномерно распределена в объеме сплава, а расстояние между ее частицами мало. Все или часть этих условий выполняются при дисперсионном упрочнении сплавов. Дисперсионное упрочнение, или твердение, достигается при старении (отпуске) в результате распада образовавшегося после закалки пересыщенного твердого раствора (метастабильной фазы). В других случаях упрочнение в результате введения мелких частиц избыточных фаз называют дисперсным. В последние годы все более широко применяется внутреннее окисление, при котором диффундирующий в образец при окислительном отжиге кислород взаимодействует с химически активными легирующими элементами, образуя равномерно распределенные в объеме дисперсные Выделения оксидов.