Дислокаций происходит

Коттрелловский механизм [4, 52, 53] называют еще теорией верхнего предела текучести, поскольку он появился фактически как объяснение часто наблюдаемого в ОЦК-металлах зуба текучести. Данный механизм предполагает закрепление дислокаций примесными-атмосферами (атмосферы Коттрелла), которые препятствуют движению дислокаций, пока при нагружении материалов не будет достигнуто некоторое критическое значение, напряжения (верхний предел текучести), необходимое для разблокирования дислокаций. Поскольку это критическое напряжение, как правило, значительно превышает напряжение, необходимое для движения свободных дислокаций при данных условиях нагружения, то из-за резкой зависимости скорости дислокаций от напряжения перегрузка вызывает лавинообразный процесс их размножения, что, в свою очередь, приводит к спаду нагрузки после верхнего предела текучести. Позже Эшельби показал [8], что разблокирование дислокаций из атмосфер практически невозможно, так как для этого требуются напряжения, близкие к теоретической прочности. Поэтому в дальнейших изложениях теории Коттрелла стали заменять разблокирование генерацией свежих дислокаций в окрестности концентраторов напряжений (включения второй фазы, дисперсные частицы, стыки трех зерен, ступеньки на границах зерен и т. д.), что действительно нашло экспериментальное подтверждение [54—56].

Как указывается в работе [17], имеется высокая вероятность образования плоских зародышей растворения твердого тела (моноатомных углублений) на тех участках поверхности, на которых плотность энергии решетки и химический потенциал больше; такими местами прежде всего являются окрестности выхода краевых дислокаций. Поскольку на грани совершенного кристалла образование зародышей растворения носит случайный характер и требует относительно больших затрат энергии, то, если скорость

Химический потенциал дислокаций характеризует термодинамический потенциал модели — «решетки» дислокаций. Поскольку увеличение термодинамического потенциала дислокаций связано с увеличением энтальпии системы твердого тела в целом, необходимо установить зависимость химического потенциала атомов тела \IM (решетки металла) от химического потен-

Как указывается в работе [19], имеется высокая вероятность образования плоских зародышей растворения твердого тела (моноатомных углублений) на тех участках поверхности, на которых плотность энергии решетки и химический потенциал больше; такими местами прежде всего являются окрестности выхода краевых дислокаций. Поскольку на грани совершенного кристалла образование зародышей растворения носит случайный характер и требует относительно больших затрат энергии, то, если скорость такого растворения невелика, на грани реального кристалла, растворяющегося с заметной скоростью, образование зародышей должно происходить в местах пересечения дислокаций с поверхностью кристалла, т. е. в очагах локального плавления, где АР = = сг и указанные выше условия проявления механохимического эффекта могут выполняться (по крайней мере, для участков металла в состоянии медленного растворения в не слишком агрессивных электролитах).

(Химический потенциал дислокаций характеризует термодинамический потенциал модели — «решетки» дислокаций. Поскольку увеличение термодинамического потенциала дислокаций связано с увеличением энтальпии системы твердого тела в целом, необхо- димо установить зависимость химического потенциала атомов тела ц.м (решетки металла) от химического потенциала дислокаций [гд. ' Суммирование этих потенциалов (как это делается в случае точечных дефектов) для определения результирующего потенциала металла с дислокациями не имеет смысла, так как указанные величины относятся к различным термодинамическим моделям («решетка» дислокаций и решетка металла).

Применительно к любой отдельной системе можно рассмотреть несколько моделей. Однако теоретики рассматривают одновременно только одну модель, а затем, если необходимо, добавляют по одному прирост сопротивления сдвигу, вносимый каждым из отличающихся друг от друга механизмов. И все-таки в настоящее время считать основной вклад в упрочнение суперсплавов выделениями у '-фазы дают такие факторы, как когерентные искажения и упорядоченная структура частиц. Поэтому рассмотрим механизмы упрочнения, связанные только с этими факторами, а модель Орована — для обходного движения дислокаций, поскольку она ставит предел упрочнению, которого можно было бы достичь за счет других механизмов.

В работе [263] отмечалось, что увеличение Содержания углерода приводит к замедлению первой стадии распада. Этот неожиданный результат был объяснен тем, что степень упорядоченного расположения атомов углерода возрастает с увеличением его концентрации, а такое состояние при определенных условиях является более стабильным, поскольку уменьшение свободной энергии от упорядочения перекрывает ее увеличение от пересыщения раствора углеродом. Было предложено и другое' объяснение: чем больше углерода, тем больше дислокаций, которые связывают углерод. Показано, что деформация уменьшает скорость распада мартенсита при низких температурах, возможно, также за счет увеличения плотности дислокаций.

Структура мартенсита, как указывалось ранее, содержит значительное количество дефектов, в частности дислокаций. Поскольку мартенсит образуется в результате быстрого охлаждения, в нем должно находиться значительное количество избыточных вакансий. Естественно ожидать взаимодействия примесей внедрения, в частности атомов углерода, с дислокациями и вакансиями. Это можно обнаружить измеряя внутреннее трение. Закрепление подвижных дефектов, например дислокаций, уменьшает величину рассеяния энергии, которое имеет место прь движении дислокаций, что приводит к уменьшению амплитудно-зависимой части внутреннего трения. Пути диффузии в этом слу-

Поскольку энергия взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию, примесные атомы стремятся собираться вблизи ядра дислокаций, т. е. образовать облако Коттрелла. Очевидно, что примесные атомы замещения будут располагаться вблизи ядра дислокации (на конце экстраплоскости), а атомы внедрения — в междоузлии над экстраплоскостью.

Таким образом, если винтовая дислокация при своем движении вдоль некоторой плоскости скольжения встретила бы какое-либо препятствие, она могла бы обойти его, перейдя на другую плоскость скольжения. Такой переход на новую плоскость скольжения движущейся винтовой дислокации называется поперечным скольжением (иллюстрация его дана на рис. 3.22(о))- Такого поведения не наблюдается у краевых и смешанных дислокаций, поскольку для них плоскости скольжения определяются единственным образом. Однако если по каким-либо причинам нижний ряд атомов дополнительной плоскости краевой дислокации окажется удаленным или будет добавлен еще один ряд атомов, то эта плоскость будет заканчиваться уже на новой, параллельной прежней плоскости скольжения. Этот процесс, схематично изображенный на рис. 3.22(6), называется переползанием дислокации.

нов число действующих систем скольжения для осуществления пластического деформирования поликристаллического агрегата. Деформация поликристаллического материала происходит тогда, когда напряжения, вызванные скоплениями дислокаций в зернах, благоприятно ориентированных для скольжения (т. е. имеются системы скольжения, ориентированные близко к направлению максимальных напряжений сдвига), превышают минимальное напряжение, вызывающее скольжение в соседних зернах. Это напряжение обычно выше в анизотропных металлах, чем в изотропных, поскольку в первых имеется меньше систем скольжения и, следовательно, меньше вероятность их благоприятной ориентации в зернах, не испытывающих пластической деформации. Исходя из уравнения Петча [25], можно показать, что отношение напряжения текучести в поликристаллическом анизотропном материале по сравнению с изотропным должно быть выше критического сдвигового напряжения для активации источников дислокаций, поскольку

более опасной является низкочастотная составляющая, особенно при симметричном, знакопеременном нагружении, приводящем в присутствии коррозионно-активных сред к МКУ. В качестве модельной коррозионно-активной среды использовался 5 %-ный раствор хлорида натрия, имитирующий по активности пластовые воды и представляющий для исследуемых сплавов наибольшую опасность в связи с питтингообразованием за счет хлор-ионов. Перед испытанием образцы материалов подвергались общепринятой для этих прецизионных сплаьов упрочняющей термической обработке, состоящей в закалке с последующим искусственным старением. В результате такой обработки вследствие выделения мета-стабильной у'-фазы (электронно-микроскопическое исследование тонких фольг на просвет, проведенное в УГНТУ, показало ее выделение на дефектах структуры типа дислокаций) происходит резкое (в 2 раза) повышение прочности и упругих свойств сплавов, обеспечивающих работоспособность сильфонов в условиях эксплуатации.

Разрушение может быть хрупким (в металлах — квазихрупким) и (пли) вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение4 микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед всевозможными включениями и т. д.). При большой плотности дислокаций происходит их слияние с образованием микротрещины. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012—1013 см"2, а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G. При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина (при заданном напряжении) превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую (по радиусу у вершины) с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи. При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Известно, что при увеличении интенсивности наводороживания (скорости накопления водорода) быстрее происходит разрушение стали и при меньших концентрациях водорода. Это связано с изменениями условий релаксаций внутренних напряжений. При низких внешних нагрузках либо при незначительной агрессивности коррозионной среды, когда обеспечивается слабый диффузионный поток водорода, возникшие напряжения успевают частично релаксироваться за счет локальной пластической деформации у краев образовавшейся трещины, поэтому последняя не растет. В этом случае время релаксации значительно меньше времени нарастания напряжений. При интенсивном наводороживании внутренние напряжения быстро нарастают, и процессы релаксации не успевают происходить даже в начальный период наводороживания. В результате блокирования водородом дислокаций подвижность их постепенно уменьшается, что приводит к локальному упрочнению металла. При достижении критических концентраций водорода, когда у краев трещины полностью теряется подвижность дислокаций, происходит хрупкое разрушение металла без следов пластической деформации.

кристаллах в скольжении на стадии / участвуют не только винтовые, но и краевые дислокации. На стадии // отношение коэффициента линейного упрочнения к модулю сдвига 9///G в ОЦК-металлах зна^ чительно ниже и зависит от температуры и скорости испытания. В металлах с ОЦК-решеткой поперечное скольжение винтовых компонент дислокаций происходит даже на начальных этапах деформации, а а ГЦК-кристаллах интенсивное поперечное скольжение развивается только на стадии ///.

Уравнение (74) получено в предположении, что в единице объема N дислокаций распределены равномерно. Современные теории деформационного упрочнения [40] исходят из того факта, что дислокации образуют плоские скопления из п копланарных дислокаций, заторможенных барьерами в плоскостях скольжения, в результате чего увеличивается напряжение течения. Особенно характерно образование плоских скоплений для металлов с малой энергией дефекта упаковки (нержавеющая сталь, а-латунь), где затруднено поперечное скольжение и такие скопления возникают у границ. Взаимодействие дислокаций в скоплении приводит к увеличению энергии каждой из них, пропорциональному числу дислокаций п в скоплении (после отжига вследствие образования границ субзерен из дислокаций происходит, наоборот, значительное снижение энергии) [31].

При этом уравнение (210) описывает механохимический эффект, а уравнение (209) — эффект, названный нами хемомехани-ческим. Однако при отсутствии специальных условий для заметного проявления последнего эффекта, т. е. при обычном воздействии химически активных сред на поликристаллические твердые тела, разрядка дислокаций происходит равномерно из тонкого поверхностного слоя, заметно не влияющего на деформацию тела в целом.

Уравнение (86) получено в предположении, что в единице объема N дислокаций распределены равномерно. Современные теории деформационного упрочнения [44 ] основаны на том факте, что дислокации образуют плоские скопления из п копланарных дислокаций, заторможенных барьерами в плоскостях скольжения, в результате чего увеличивается напряжение течения. Особенно характерно образование плоских скоплений для металлов с малой энергией дефекта упаковки (нержавеющая сталь, а-латунь), где затруднено поперечное скольжение. Такие скопления возникают у границ. Взаимодействие дислокаций в скоплении приводит к увеличению энергии каждой из них, пропорциональному числу дислокаций п в скоплении (после отжига вследствие образования границ субзерен из дислокаций происходит, наоборот, значительное снижение энергии) [35].

где b — модуль вектора Бюргерса. Движение дислокаций происходит только под действием приложенного напряжения. На единицу длины дислокации при напряжении сдвига ст, на-

В соответствии с конценпцией Рида вследствие движения ступенек, образовашихся в точках пересечения дислокаций, происходит возникновение вакансий. В условиях воздействия циклического напряжения общая протяженность пути, пройденного ступенькой, намного больше, чем при статической ползучести, поэтому образуются большие концентрации вакансий, которые способствуют переползанию дослокаций и, следовательно, ускоряют полигонизацию. Эффект упрочнения, наблюдавшийся при длительно действующих больших усталостных напряжениях, объясняется тем, что скопление большого числа вакансий препятствует движению дислокаций.

ность дислокаций, происходит измельчение зерна, возрастает

гурации (например в ряды дислокаций) происходит уже в процес-