3.2 Теорія твердорозчинного зміцнення

При легуванні металу-основи зміцнення твердого розчину пов' язано з двома процесами: взаємодією атомів легувальних елемен­тів з дислокаціями та зі зміною енергії тертя в гратках. Атоми легува-льних елементів, що розміщуються у вузлах або міжвузліях кристаліч­ної гратки базового металу, впливають на процеси пластичної дефор­мації завдяки утворенню атмосфер на дислокаціях, зміні енергії дефе­ктів пакування, збільшенню сил тертя при переміщенні дислокацій, впорядкуванню.

У випадку твердих розчинів, в залежності від розмірів атомів-домішок, при взаємодії з дислокаціями є можливими такі випадки роз­ташування: атоми, радіус яких більше атомного радіусу основи, нама­гаються заміщувати атоми основи в розтягненій області; при іншому співвідношенні атомних радіусів вони концентруються в стисненій області.

Атоми втілення намагаються розташовувати в розтягнутих діля­нках навколо дислокацій. Оскільки енергія взаємодії домішки та дис­локації зворотно пропорційна відстані між ними, атоми домішок нама­гаються концентруватися поруч з ядром дислокацій, утворюються ат­мосфери Коттрелла. Атоми заміщення виділяються поблизу ядра дис­локацій (на кінці екстраплощини), атоми втілення - в міжвузліях над екстра площиною (рис.3.2).

Атоми втілення більш потужно взаємодіють з дислокаціями, по­рівняно з атомами заміщення. Така взаємодія призводить до „оса­дження" атомів втілення у вигляді ланцюжків вздовж краю екстрап-лощини. Таке утворення має назву атмосфери Коттрелла.

В умовах термодинамічної рівноваги при температурі Т в точці, для якої характерна енергія зв'язку Е, концентрація атомів-домішок навколо дислокації визначається за формулою:

 (~і   _ (~і   —Е / кТ

де С0 - середня концентрація домішки в металі; к - стала Больцмана.

У

Ж

Рисунок 3.2 - Розташування атому домішки (світлий кружок) у випадку найменшої енергії біля крайової дислокації

Із збільшенням відстані від ядра дислокації енергія взаємодії між дислокацією і легувальним елементом зменшується, відповідно, зме­ншується концентрація домішок. На відстані понад 3-5 міжатомних теплові флуктуації розмивають атмосферу Коттрелла. Із зростанням температури атмосфери Коттрелла розчиняються. При зменшенні те­мператури концентрація домішок поруч із ядром дислокації зростає і можливе утворення дисперсних частинок вторинних фаз. Енергія зв'язку атомів втілення (С,ЇЧ) з дислокацією вища ніж атомів заміщен­ня (Сг, Мо), тому атмосфери, утворені атомами втілення, є більш стій­кими. В сталях вони не розпадаються до 400°С, утворення ж їх мож­ливо при кімнатній температурі завдяки високій дифузійній рухомості невеликих за розміром атомів втілення.

У випадку відпалених сталей густина дислокацій складає 106-108см-2, для заповнення атомами домішок усіх вільних місць на дисло­каціях (с = 1) необхідно щоб у сплаві містилося 10-3-10-4 атомних від­сотків вуглецю та азоту. У випадку деформованих сталей густина дис­локацій складає 1011-1012см-2 , відповідно, для повного заповнення дислокацій домішками необхідний вміст домішок - 0,2% (С+ЇЧ). В ме­талах з ГЦК-граткою енергія взаємодії дислокацій з атомами втілення значно менше, ніж в ОЦК-металах, де насичення дислокацій атомами домішок проходить при дуже низьких температурах, напруга відриву менше. При ковзанні дислокація намагається перемістити атмосферу Коттрелла, яка на відміну від дислокації, здатна пересуватися лише дифузійно. Атмосфера може пересуватися з дислокацією лише при ви­соких температурах та низьких швидкостях ковзання дислокації. При збільшенні швидкості ковзання атмосфера рухається повільніше за яд­ро дислокації, сила взаємодії гальмує дислокацію. При високій швид­кості деформування та невисоких температурах атмосфери не встига­ють переміщуватися та стримують рух дислокацій. Для подальшого руху дислокації необхідна додаткова робота, що має забезпечити від­рив дислокації від атмосфери (рис. 3.3). Імовірність відриву дислокації від атмосфери Коттрелла зростає при наявності теплових флуктуацій.

 

Рисунок 3.3 - Відрив дислокації від атмосфери Коттрелла

Зміна енергії тертя при легуванні:

+ Лі = Е ■ т/Ь

де + Лі - збільшення стартової енергії ковзання;

т - кількість дислокацій, що одночасно відриваються від ат­мосфери Коттрелла (т ~ 104 см-2).

 

Хі - відстань на якій припиняється взаємодія дислокацій та атомів легувального елемента; Ед - енергія дислокацій Рисунок 3.4 - Схема взаємодії атома домішки з дислокацією

В ОЦК гратці під дією напружень розтягнення можуть утворю­ватися впорядковані виділення атомів втілення. Область впорядкова­ного розміщення домішок втілення навколо лінії дислокації називають атмосферою Снука. Її утворення зменшує вільну енергію кристалів. Атмосфери Снука утворюються швидше за атмосфери Коттрелла, впорядкування відбувається за рахунок швидкого переміщення атомів з одних октаедричних пор до інших (відбувається перестрибуванняатомів втілення). Особливістю домішок втілення в ОЦК гратці є те, що вони однаково сильно взаємодіють на великій відстані з дислокаціями, в тому числі гвинтовими. При розміщенні домішки в октаедричній по­рі ОЦК гратки відстань між атомами металу вздовж ребра куба [100] збільшується, вздовж [010] та [001] - зменшується (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 - Схема розміщення атомів втілення (X) в октаедричних порах ОЦК гратки без напружень (а) та при розтягненні (б)

В металах з ГЦК граткою, в яких дислокації розщеплюються на часткові, крім пружної взаємодії існує хімічна взаємодія між атомами та дислокаціями. В ГЦК гратці дефект пакування розтягнутої дислока­ції є тонким прошарком із чергуванням шарів, що відповідають ГП гратці. Розчинність елементів в ГЦК та ГП гратках змінюється. При достатньо високих температурах атоми дифузійно перерозподіляються між дефектом пакування та ГЦК граткою подібно до перерозподілу елементів між двома фазами. Змінена концентрація атомів-домішки або легувального елемента в дефекті пакування розтягнутої дислокації має назву атмосфери Сузукі. Вільна енергія дефекту пакування змен­шується при поглинанні домішок із навколишнього твердого розчину. Пласкі сегрегації Сузукі виникають внаслідок „хімічної" взаємодії на дефектах пакування. Хімічна взаємодія Сузукі спостерігається у випа­дку крайових та гвинтових дислокацій в ГЦК гратці. Основною від­мінністю сегрегацій Сузукі від сегрегацій Коттрелла є немонотонна зміна ступеня сегрегації на дефекті пакування. Сегрегації Сузукі по­слаблюються з температурою як 1/Т, порівняно з сегрегаціями Котт-релла - за експоненційним законом (ехр-1/Т). Атмосфери Сузукі утво­рюються при достатньо високих концентраціях легувальних елементів (на рівні відсотків) через порівняно велику площу дефектів пакування. Гальмування дислокацій атмосферами Сузукі можливе при більших концентраціях легувальних елементів, порівняно з атмосферами Котт­релла. В цьому випадку при значній ширині дефекту пакування термі­чні флуктуації практично не здатні розблокувати розтягнуту дислока­цію з атмосферою Сузукі. Сегрегації Сузукі здатні зберігатися до ви­сокої температури, що зумовлює підвищений рівень жароміцності при їх існуванні в металі.