Дислокационные скопления

Далее кратко рассмотрим основные механизмы образования микротрещин, которые можно подразделить на дислокационные, диффузионные и в результате межзерен-ного сдвига. Дислокационные механизмы могут быть разделены на три группы. К первой группе относятся модели (Зинера, Стро, Коттерелла, Гилмана и др.), связывающие инициированные микротрещины со скоплением дислокаций в плоскостях скольжения. Эти скопления возникают в результате остановки движущихся дислокаций в различных барьерах, которыми являются границы зерен с большими углами разориентировки, включения, поля напряжений. Вторая группа моделей предполагает образование микротрещин в результате скопления дислокаций в окрестностях пересечения систем элементарных актов пластической деформации путем скольжения и двойнико-вания (модель Коттерелла). В соответствии с концепциями моделей третьей группы микротрещины инициируются в результате взаимодействия дефектов кристаллической решетки при пластическом деформировании. Эта группа -барьерные механизмы, описывающие процесс развития трещин в результате объединения цепочек вакансий в движущихся дислокациях со ступенькой; пересечение малоугловых границ; аннигиляции дислокаций в близко расположенных плоскостях скольжения; возникновения поля растягивающих напряжений от двух дислокационных скоплений противоположного знака.

дислокационные механизмы увеличения предела текучести с допустимым изменением вязкости разрушения.

5. Всесторонний анализ структуры и свойств материалов с покрытиями поможет реализовать на практике комбинированное упрочнение, при котором покрытие обеспечивает,"" например, повышенную износостойкость, жаростойкость, а объемно упрочненный основной металл обладает достаточным запасом трещиностойкости. При этом успешно используются все главные дислокационные механизмы управления структурой: создание субзерен, полигонов^ ячеек и зеренных микроструктурных барьеров — для упрочнения объеме; выделение дисперсных фаз, введение растворенных атомов замещения и внедрения и увеличение плотности дислокаций — для формирования специальных свойств поверхности. Полученное таким образом композиционное изделие будет удовлетворять требованию гармоничного сочетания иадежности1 долговечности^ прочности,

При комнатных температурах и при 873 К усталостная прочность стержневого эвтектического композита Fe — Fe2B выше, чем чистого железа [24]. Усталостные трещины в этом композите зарождаются не на поверхности раздела матрица — волокно, а в местах выхода матрицы на поверхность образца. Де Сильва и Чэдуик рассмотрели возможные дислокационные механизмы, действующие при циклическом нагружении эвтектических композитов [24]. Если дислокации матрицы при скольжении пересекают поверхность раздела и армирующую фазу, то они перерезают упроч-нитель по минимальному размеру сечения. Напротив, скопление скользящих дислокаций матрицы у поверхности раздела может привести к концентрации напряжений и разрушению волокна. И тот и другой механизмы оставляют возможность для дальнейшей деформации матричной фазы. Эвтектический сплав Fe — Fe2B, в котором не действует ни один из этих механизмов, ведет себя как обычный металл, армированный волокнами, т. е. степени деформации волокна и матрицы должны быть соизмеримы. Таким образом, поведение этого сплава при циклическом нагружении иное, чем систем А1 — А1Э№ и Ni — Ni3Nb.

Поскольку значительную роль в процессах зарождения и развития разрушения играют дислокационные механизмы и связь порообразования с элементами дислокационной структуры стали, существенное влияние на кинетику процесса разрушения оказывает структура стали. Установлены следующие основные факторы в развитии разрушения:

Таким образом, в зависимости от сочетания параметров на-гружения преобладают или диффузионные, или дислокационные механизмы разрушения или их действие приблизительно одинаковое. Следовательно, разрушение преимущественно межзеренное с образованием клиновидных трещин при низких амплиту-

но, что дислокационные механизмы приводят к формированию дис-

•8.9.2. Дислокационные механизмы деформации „ , »....... 244

Как же происходит деформация металлов, находящихся в аморфном состоянии? При поисках однозначного ответа на этот вопрос приходится сталкиваться с определенными трудностями, поскольку процессы деформации, впрочем, как и некоторые другие процессы, происходящие в аморфных металлах, невозможно изучать методами просвечивающей электронной микроскопии, как это делается в случае кристаллических металлов. Кроме того, поскольку аморфные металлы удается пока получить, как ' правило, только в виде тонкой ленты и тонкой проволоки, невозможно точно определить различные физические и динамические характеристики. По этим причинам нет и общепринятой теории деформации аморфных металлов, но предложено большое число различных моделей механизмов деформации. Из них наибольшего внимания заслуживают следующие: а) модели вязкого течения: 1) модель свободного объема (Тернбалл и др.); 2) модель адиабатической деформации (Чен и др.); б) дислокационные механизмы деформации: 1) дислокационная модель (Гилман); 2) модель дислокационной решетки (Ли); 3) модель дезъюнкции (Эшби).

8.9.2. Дислокационные механизмы деформации

Такие экспериментальные факты, как существование неустановившейся ползучести и наличие различных стадий сдвига при деформации аморфных металлов, а также ограниченный характер самого процесса скольжения дают основания предполагать, что и в аморфных металлах действуют дислокационные механизмы деформации.

При заданных напряжениях и температуре параметры системы остаются постоянными. При этом учитываются следующие дислокационные механизмы: размножение подвижных дислокаций 9; их взаимная аннигиляция и иммобилизация д (в уравнении (140) при 0 < k < 1 член с коэффициентом kp описывает источник неподвижных дислокаций); аннигиляция неподвижных дислокаций ц'; раскрепощение неподвижных дислокаций X.

этом постепенно в приповерхностных слоях металла создается высокая концентрация дислокаций и дефектов упаковки и образуется своеобразный потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему выходу дислокаций на поверхность. Кроме того, происходит диффузионное перемещение части примесных атомов к поверхности, где они служат активными центрами закрепления дислокаций, группирующихся в малоподвижные атмосферы. Вместе с тем под воздействием циклических деформаций и хемомеханического эффекта в "запертом" объеме металла интенсивно формируются новые пачки скольжения и плоские дислокационные скопления, что приводит к резкому повышению уровня микроискажений кристаллической решетки в интервале 2-4 тыс. циклов. После очередной полосы релаксационных процессов и спада уровня микроискажений достаточно лишь незначительное его повышение, чтобы образовавшиеся ранее субмикротрещины развились в микро-, а затем в макротрещины и произошло разрушение.

При скольжении дислокации испытывают тормозящее воздействие со стороны леса дислокаций, дислокаций Ломера-Коттерелла и др. Поэтому при деформации образуются дислокационные скопления. Причем на головную дислокацию действует напряжение TI = тп. Концентрация напряжений равна п заторможенных дислокаций. Таким образом, по мере развития деформаций по разным причинам усиливается торможение дислокаций, вызывающее рост напряжений (деформационное упрочнение). С позиции дислокационной теории рассмотрим основные уравнения для оценки деформационного упрочнения сталей.

При встрече этих дислокаций возникает новая, расположенная в плоскости (100): l/2a [111] + \12а [Ш] —»• а [001]. Многократное повторение этого взаимодействия приводит к слиянию новых дислокаций д[001], что, в конце концов, вызывает образование зародышевой трещины. Схема Коттрелла не требует наличия барьеров для дислокации в исходном состоянии. Барьеры, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате пластической деформации. Иногда трещина образуется не у вершины скопления, а внутри него. Отрыв по плоскости скольжения происходит под действием нормальных напряжений. Они возникают в результате искривления плоскостей скольжения дислокациями, располагающимися в других плоскостях. Искривление поверхности скольжения при сдвиге вдоль нее вызывает появление нормальных напряжений. Эта схема, предложенная В. Л. Инденбомом, реализуется после значительной пластической деформации.

днях диффузионной сварки переход ламинарного течения деформируемого металла в турбулентное, связанное с образованием динамических диссипативных структур в виде вихрей на макроуровне. На микро- и мезо- уровне при этом происходит быстрая перестройка дислокационных субструктур от равномерной к клубковой, ячеистой, полосовой и фрагментированной с возрастанием плотности дислокаций в субграницах до значений порядка 1013 см'2. Дислокационные скопления такой плотности неустойчивы И при непрерывном подводе энергии Пластической деформации, и при повышенных температурах возможен неравновесный фазовый переход типа виртуального плавления. Нохли расчеты та показывают, что новая диссипативиая структура атом-вакансионыого типа может содержать - 2% вакансий, что определяет ее сдвйгонеустойчивость и аномальные скорости массопереноса. При прекращении подвода энергии и обратном переходе (релаксации) эти области прослойки оказываются прочно сваренными с основным металлом, причем наблюдается кристаллографическая подстройка материма прослойки к решетке основного материала, что соответствует минимуму межфазной энергии и сопровождается оттоком энтропии. Образованию сварного соединения способствует активизация квазивязких, диффузионных механизмов переориентации кристаллической решетки за счет дрейфа точечных дефектов в локальных полях неоднородных напряжений [6]. Применение, перфорированных прослоек из меди И алюминия при сварке алюмооксидных керамик позволило в несколько раа сократить время диффузионной сварки и повысить прочность соединений.

ческие исследования показали, что на этой стадии циклического деформирования, как и в условиях статического нагружения, наблюдается изменение дислокационной структуры: на границах ферритных зерен генерируются новые дислокации; в отдельных зернах наблюдаются дислокационные сплетения. В наиболее благоприятно ориентированных зернах могут наблюдаться тонкие дислокационные полосы скольжения. Пример дислокационной структуры, формирующейся на этой стадии циклического нагружения в отожженных образцах из низкоуглеродистой стали Ст 3, приведен на рис. 10. Дислокационные скопления преимущественно наблюдаются в области границ зерен (рис. 10, а) и у неметаллических включений (рис. i 0,6).

При встрече этих дислокаций возникает новая, расположенная в плоскости (100): \12а [111] + 1/2а [111] -» a [001]. Многократное повторение этого взаимодействия приводит к слиянию новых дислокаций а[001], что, в конце концов, вызывает образование зародышевой трещины. Схема Коттрелла не требует наличия барьеров для дислокации в исходном состоянии. Барьеры, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате пластической деформации. Иногда трещина образуется не у вершины скопления, а внутри него. Отрыв по плоскости скольжения происходит под действием нормальных напряжений. Они возникают в результате искривления плоскостей скольжения дислокациями, располагающимися в других плоскостях. Искривление поверхности скольжения при сдвиге вдоль нее вызывает появление нормальных напряжений. Эта схема, предложенная В. Л. Инденбомом, реализуется после значительной пластической деформации.

На стадии // все большую роль играет скольжение во вторичных системах, при этом взаимодействие дислокаций первичной и вторичной систем приводит к образованию в ГЦК-монокристаллах сидячих дислокаций Ломер — Коттрелла, у которых образуются дислокационные скопления [253]. Длина линий скольжения на этой стадии соответствует длине зон скольжения, ограниченных такими барьерами [253].

При сопоставлении трехстадийных кривых упрочнения ОЦК-и ГЦК-монокристаллов часто предполагается сходство механизмов упрочнения на соответствующих стадиях [254, 256]. Так, на стадии / рассматриваются различные схемы образования краевых диполей и жгутов, что вызывает слабое линейное упрочнение. На стадии // в ГЦК-металлах источниками внутренних напряжений считались дислокационные скопления. Вместо них в ОЦК-монокристаллах рассматриваются различные нескомпенсированные субграницы.

0,2 мкм (эти значения довольно типичны для материалов) требуется более 300 дислокаций. В действительности таких гигантских скоплений не наблюдается. Как показал Фридель [8], напряжения, обусловленные дислокационным скоплением, релаксируют, если они превысят предел упругости. Например, в ГЦК-кристаллах дислокационная группа полностью релаксирует, если она содержит пять и более дислокаций. Из этих представлений следует, что для того, чтобы пора могла расти, необходимо создавать дислокационные скопления в разных плоскостях скольжения (рис. 5.4, д, е). Наличие на поверхностях пор развитой картины пластической деформации ' (рис. 5.3, а), по-видимому, подтверждает этот вывод о движении дислокаций по множеству плоскостей скольжения, а сравнительно большой размер пор свидетельствует о наличии в условиях объемного напряженного состояния напряжений, превышающих предел упругости.

Экспериментально показано [31], что независимо от характера деформации (растяжение, сжатие, кручение) и скорости нагрева при температуре рекристаллизации происходит выделение энергии, обусловленное исчезновением, дислокаций, образовавшихся в процессе деформации. Важно, что если дислокации образуют плоские дислокационные скопления из п копланарных дислокаций, то энергия, приходящаяся;на каждую дислокацию, пропорциональна их числу п в одном скоплении ([31 ]. Напротив, после отжига выстраивание дислокаций в субграницы значи-

Если начинают формироваться дислокационные скопления из п дислокаций, но «Дф° < Ь, то приращение тока на единицу площади