3.7 Вплив дисперсійного зміцнення на повзучість

Повзучість - це явище, що спостерігається в умовах підвищених температур при напруженнях набагато менших за границю текучості. В залежності від температури та рівня напружень існують певні зони, де змінюються характеристики повзучості, що пов'язано із зміною ме­ханізму процесу.

При низьких температурах та напруженнях суттєвим є процес переповзання дислокацій в полі напружень разом з атмосферами Кот-трелла. Із підвищенням рівня напружень зростає ймовірність зсуву, при підвищенні температури за рахунок прискорення дифузії розвива­ється вакансійна та зерномежова повзучість. У проміжній області тем­ператур та напружень суттєву роль відіграє механізм Віртмена, що по­єднує зсувний механізм пластичної деформації із процесом відпочин­ку - переповзанням дислокацій. При повзучості, внаслідок перемі­щення дислокацій, в зернах виникає субструктура, з'являються лінії та смуги ковзання. При дифузійній та зерномежовій повзучості форма зерен спотворюється, деякі з них витягуються в напрямку діючого зу­силля. Збільшується товщина меж зерен, межі викривлюються. Дефо­рмація пов' язана з переносом речовини за рахунок міграції вакансій в полі напружень. Вакансії, що знаходяться на межах зерен, мають ви­соку рухомість, порівняно із об' ємом зерна, концентрація вакансій в примежових ділянках на кілька порядків вища. Зерномежова повзу­чість чистих металів та твердих розчинів суттєво зростає у випадку дрібнозернистих матеріалів. Для зменшення повзучості необхідно за­гальмувати переміщення дислокацій та дифузію вакансій на межах та в об' ємі зерен. Дислокації закріплюються атомами домішок, легуваль-ні елементи посилюють міжатомний зв' язок в твердих розчинах, зме­ншують концентрацію та рухомість вакансій, уповільнюють дифузій­ну повзучість. Дисперсні частинки, що виділяються на межах зерен уповільнюють швидкість дифузії на межі та перешкоджають взаємно­му проковзуванню зерен, як наслідок, зменшується зерномежова пов­зучість. Частинки фаз, що когерентно пов'язані з твердим розчином, добре опираються пересуванню дислокацій, але при термічно активо­ваному процесі, їх ефективність, як перешкод, зменшується. В певних умовах закріплені дислокації утворюють джерела Франка-Ріда, густи­на дислокацій зростає.

У випадку закріпленої дислокації рівень напружень, які виника­ють в матеріалі може бути достатнім для активації джерел Франка-Ріда. Для чистих металів швидкість повзучості на стадії (іі) розрахову­ється за формулою Віртмена:

/? = Аапвхр{      1,де А, п - сталі (для нікелю п = 3,9-4,4)

О - енергія активації повзучості (для нікелю 0 = (280-288,5) кДж/г-атом.

Для чистих металів рівняння Віртмена є справедливим, якщо на­пруження не перевищують 10-100 МПа. При збільшенні напружень є можливим перерізання частинок вторинних фаз (при когерентному зв'язку). Відповідно до теорії Віртмена, частинки зміцнювальних фаз не повинні перерізатися дислокаціями та деформуватись при повзучості.

1. Якщо напруження низькі, в матеріалі існують джерела Фран-ка-Ріда, але просування дислокації з утворенням петель неможливе,

тобто є справедливим співвідношення: —— < о < ——, де в – модуль зсуву матриці; Ь - вектор Бюргерса; Ь - довжина джерела Франка-Ріда; І - середня відстань між частинками. Швидкість повзучості набуває вигляд:

* = жоЬ3В Є= 2кТй2 ,

й - діаметр частинок;

О- діюче напруження; Ь - вектор Бюргерса; О - коефіцієнт дифузії.

2. У випадку, коли о > —— дислокації здатні просуватися між

частинками та утворювати навколо них петлі. Швидкість повзучості в цьому випадку контролюється переповзанням петель крізь матрицю з частинками та анігіляцією петель протилежного знаку. Швидкість повзучості визначається формулою:

* = жо4Х2В Є    йв3кТ '

де Я - середня довжина вільного пробігу дислокації в матриці.

Рівняння (1-3) встановлюють лінійний зв' язок між швидкістю повзучості та коефіцієнтом дифузії. При зменшенні коефіцієнту дифу­зії в матеріалі спостерігається уповільнення повзучості, найбільш ефе­ктивно уповільнюють дифузійну рухомість в нікелевій матриці моліб­ден, вольфрам та тантал.

Дрібнодисперсні частинки надлишкових фаз гальмують пересу­вання дислокації, що зменшує концентрацію вакансій, які виникають при просуванні дислокацій зі сходинками і перетинанні дислокаційних ліній. Швидкість процесу повзучості зменшується не лише через галь­мування дислокацій, але й внаслідок зміцнення меж зерен. Частинки вторинних фаз, що розміщені на межах, фіксують зерна, перешкоджа­ють їх взаємному ковзанню, зменшують міграцію вакансій в примежо-вих ділянках.

При підвищених температурах ефективність атмосфер (Коттрел-ла, Снука, Сузукі) зменшується. Під час експлуатації сплавів при ви­соких температурах та напруженнях, частинки фаз коагулюють, змен­шується об' ємна кількість фаз (карбідів, інтерметалідів), відбувається знеміцнення. В деяких сплавах дрібнодисперсні частинки фази виді­ляються безперервно при експлуатації, що забезпечує збереження пев­ного рівня міцності, та перешкоджає розвитку повзучості.