Карты механизмов деформации

Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф.

Металлургия, 1989 г.

МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ И ПОСТРОЕНИЕ КАРТ МЕХАНИЗМОВ ДЕФОРМАЦИИ

Пластическая деформация кристаллических твердых тел характеризуется рядом альтернативных, часто конкурирующих, механизмов. В настоящей книге описаны механизмы деформации и методы построения карт механизмов деформации, позволяющих определить ту область напряжений, температур и скоростей деформации (то поле на карте механизмов деформации), в пределах которого преимущественно реализуется тот или иной механизм деформации. В книге содержатся карты механизмов деформации для более чем сорока чистых металлов, сплавов и керамик. Они построены на основе экспериментальных данных и связаны с уравнениями, описывающими скорость деформации в приближении той или иной модели механизма деформации. Во всех случаях мы принимали, что разрушение не происходит (для чего в случае необходимости прикладывали достаточно большое гидростатическое давление).

В первой части книги (гл. 1—3) описаны механизмы деформации и методы построения карт механизмов деформации. Во второй части (гл. 4—16) с подробной ссылкой на источники представлены карты механизмов деформации чистых металлов, сталей и сплавов на основе цветных металлов, элементов с ковалентной связью, галоидных соединений щелочных металлов и большого числа оксидов. В последнем разделе (гл. 17—19) описаны результаты сравнительно недавних исследований (переход от одного механизма деформации к другому, влияние давления, поведение при очень низких и очень высоких скоростях деформации) и рассмотрены проблемы, связанные с установлением справедливости того или иного закона. Приведены примеры, иллюстрирующие пользование картами механизмов деформации в ряде простых случаев.

Приведенные в настоящей книге карты механизмов деформации, к сожалению, не могут представить всей полноты картины. Однако деление материалов на изомеханические группы (гл. 18) позволяет выработать подход к получению необходимой информации. В заключение отметим, что метод построения карт механизмов деформации (гл. 3) в настоящее время общепризнан, и читатели могут использовать его при построении карт механизмов деформации, интересующих их новых материалов.

Связь механизмов деформации с протекающими на атомарном уровне процессами

Пластическое течение является кинетическим процессом. Хотя часто удобно рассматривать поликристаллическое твердое тело, как имеющее четко определяемый предел текучести, ниже которого пластическое течение не происходит, а выше происходит достаточно интенсивно, на самом деле это вероятно, справедливо лишь при Т = 0. В общем случае прочность твердого тела зависит от деформации, скорости деформации и температуры. Она определяется кинетикой процессов на атомарном уровне: скольжения отдельных дислокаций, скольжения группировок дислокаций, переползания дислокаций и сопутствующего (при высоких температурах) движения отдельных атомов, относительного смещения и изменения формы зерен в результате приграничного скольжения (включающего движение дефектов в границах и в приграничных объемах), механического двойникования (за счет движения двойникующих дислокаций) и т. д. Все перечисленные процессы, протекающие на атомарном уровне, оказывают решающее влияние на пластическое течение.

Представляется удобным провести описание пластичности поликристаллического тела, с учетом указанных выше механизмов на атомарном уровне, при их разделении на следующие пять групп:

Разрушение при напряжении, соответствующем идеальной прочности. Пластическое течение начинается при превышении идеального напряжения сдвига.
Низкотемпературная пластическая деформация за счет скольжения дислокаций, контролируемая: а) решеточным сопротивлением (или напряжением Пайерлса); б) отдельными препятствиями: в) фононным или другим типом торможения. На эту деформацию влияет адиабатический нагрев.
Низкотемпературная пластическая деформация за счет двойникования.
Пластическая деформация типа ползучести, протекающая в соответствии со степенным законом за счет дислокационного скольжения или скольжения и переползания. Эта деформация контролируется: а) процессами скольжения дислокаций; б) зависимым от объемной диффузии переползанием дислокаций (высокотемпературная ползучесть); в) зависимым от диффузии по дислокационным трубкам переползанием (низкотемпературная ползучесть); г) явлениями, связанными с нарушением степенного закона ползучести (переходом от переползания -скольжение только к скольжению); д) механизмом ползучести по Харперу—Дорну) механизмом ползучести, сопровождаемым динамической рекристаллизацией.
Пластическое течение — ползучесть — вакансионного типа, контролируемое либо объемной диффузией («ползучесть по Набарро—Херрингу»), либо зернограничной диффузией («ползучесть по Коблу»), либо взаимодействием на поверхности раздела. Во всех случаях следует учитывать переползание дислокаций, т. е. сохраняется основной механизм пластического течения.

Перечисленные механизмы могут действовать в сочетании, образуя сложные комбинации; в результате может реализовываться ряд других механизмов (таких, например, как сверхпластическое течение). Влияние легирующих элементов на характер скольжения дислокаций

Атомы растворенного вещества оказывают тормозящее влияние на процесс скольжения дислокаций. Подобное влияние обусловлено взаимодействием движущихся дислокаций со стационарными слабыми препятствиями: отдельными атомами растворенного элемента в очень разбавленных твердых растворах и/или локальными флуктуациями концентрации в более концентрированных растворах. Оказываемое этими препятствиями влияние можно описать с помощью уравнения (2.9), включающего параметры £ несколько большей величины и A Fнесколько меньшей величины (см. табл. 1). Кроме того, указанное влияние слабых препятствий накладывается и на деформационное упрочнение. При построении карт механизмов деформации сплавов (см. г. 3) мы часто использовали данные для сильно деформированных твердых растворов; в этом случае твердорастворное упрочнение перекрывается деформационным упрочнением, реализуемым при движении дислокаций через лес дислокаций (взаимодействие движущихся дислокаций с лесом). Это позволяет использовать уравнение (2.9) в неизменном виде.

Дисперсные прочные частицы второй фазы в сильной степени препятствуют скольжению дислокаций. Частицы в таких материалах, как САП (алюминий, содержащий частицы AL2O3), TD-никель (никель, содержащий частицы ThO — см. гл. 7) или низколегированные стали (стали, содержащие дисперсные частицы карбидов — см. гл. 8) являются прочными и стабильными препятствиями для движения дислокаций. Скользящая дислокация может двигаться лишь при условии, если ее линия будет выгибаться между частицами, обходить эти частицы; в конечном счете она будет тормозиться. Так частицы вносят свой вклад в напряжение течения, которое связано обратной пропорциональной зависимостью с расстоянием между частицами и которое характеризуется очень большой величиной энергии активации (см. табл. 1).. Энергия активации процесса скольжения в этом случае настолько велика, что приводит к получению почти атермического напряжения течения. Однако если сплав, содержащий прочные дисперсные частицы, достаточно сильно деформирован, то предел текучести будет сохранять температурную зависимость, характерную для деформационного упрочнения, контролируемого скольжением через лес дислокаций (см. табл. 1). Кроме того, мы пренебрегли возможностью протекания термически активируемого процесса поперечного скольжения у частиц [11, 27], который может уменьшить деформационное упрочнение и тем самым снизить напряжение течения. В первом приближении прочные дисперсные частицы и твердорастворное упрочнение вносят аддитивные вклады в величину предела текучести.