7 Наклеп и рекристаллизация металлов

6.1 Наклеп

Явление упрочнения металла под действием пластической деформации называется наклепом. Наклеп ведет к участию в деформации большого количества плоскостей сдвига и к общему повышении плотности дислокации в кристаллах. Одновременно этот процесс порождает упругие искажения кристаллической решетки, что создает многочисленные препятствия перемещению дислокаций. Все это вместе и вызывает упрочнение металла при наклепе. По мере увеличения деформации твердость растет, т.е. металл упрочняется, а пластичность непрерывно падает.

В первом приближении рост плотности дислокаций ρ в результате наклепа пропорционален величине сдвиговой пластической деформации g, т.е . Здесь - исходная плотность дислокации, а - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность плотности дислокаций и зависящей от природы металла. Это выражение элементарно получается из уравнения , если x (среднее расстояние между движущимися дислокациями) постоянная величина. Очевидно, такое условие не всегда справедливо - с увеличением плотности дислокаций, то есть с ростом сдвиговой деформации при наклепе величина х будет уменьшаться. Например, при равномерном распределении большого числа подвижных дислокаций х~ . В этом случае рост плотности дислокаций будет пропорционален квадрату остаточной деформации.

Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и образованием, так называемой текстуры.

Явление образования текстура заключается в том, что беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформаций так разворачиваются в пространстве, что сходственные оси кристаллической решетки соседних кристаллов стремятся стать параллельными. Беспорядочная ориентация кристаллов в теле заменяется структурой, имеющей преимущественную ориентацию кристаллов, почти совпадающую с направлениями наибольших деформаций всего образца - тела. С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и достигает таких значений, когда все зерна оказываются почти одинаково ориентированными (рис. 7.3). В процессе образования текстуры происходит измельчение тонкой структуры металла, заключающееся в том, что, не нарушая целостности зерна при деформации, наблюдается дробление исходных крупных субзерен и блоков мозаики на более мелкие, что оказавает большое влияние на все свойства металлов.

Рентгенографически наклеп проявляется в виде размытия общей картины изображении, общим увеличением ширины линий, снятых на рентгенограммах, что является следствием приобретенных кристаллом искажения.

Ранее были разобраны два характерных примера дислокационных структур: образование скоплений дислокаций перед барьерами; образование стенок из дислокаций одного знака или явление полигонизации.

Скопление дислокаций перед барьером (рис.5.14), расположенных, как правило, в одной плоскости скольжения, явно неравновесно и обладает значительно большим запасом энергии, чем стенка из дислокации.

Дислокации в скоплении создают очень высокое давление на барьер, возрастающее пропорционально числу дислокаций в скоплении. Становится возможным либо разрушение самого скопления за счет неконсервативного переползания отдельных дислокаций на близко расположенные плоскости, либо преодоление барьера, либо даже разрушение (растрескивание) самого кристалла в расположении полезной, наиболее напряженной части скопления. Скопления особенно эффективны при сравнительно низких температурах, когда мало точечных дефектов - вакансий и межузельных атомов - без которых невозможно неконсервативное перемещение отдельных краевых дислокаций скопления на соседние, выше или нижерасположенные плоскости.

Стенка из одноименных дислокаций обладает значительно меньшей потенциальной энергией. Расположение одноименных дислокаций одна под другой на расстоянии h друг от друга (рис.7.1) приводит к резкому ослаблению, а иногда и к исчезновению дальнодействующих полей напряжений. Ослабленная по величине напряжений зона имеет ширину ~2h, превращая стенку в своеобразный, устойчивый к внешнему воздействию плоский дефект. Повышение температуры деформации только способствует образованию стенок.

Рис.7.1. Дислокационная стенка

В частности стенка может быть получена и из скопления перед барьером путем неконсервативного переползания дислокаций. Из рис.7.1 следует, что образование стенок обязательно требует участия точечных дефектов, то есть, согласно уравнению Аррениуса, будет легче происходить при некотором повышении температуры.

Благодаря своей резко сниженной энергии стенка становится устойчивым к внешним воздействиям элементом тонкой структуры металла. Очевидно, образование стенок идентично мозаичному строению кристаллов. Именно стенками из дислокаций нормируются границы блоков и субзерен.

Главное отличие между структурными образованиями из дислокаций (стабильными стенками и метастабильными скоплениями) - в уровне присущей им внутренней анергий. Возможны и промежуточные образования из дислокаций, во все возрастающем количестве возникающие при пластической деформации. Уровень внутренней энергии в этих промежуточных образованиях дислокационной структуры будет располагаться между наиболее высоким уровнем, свойственным скоплению, и наиболее низким, свойственным стенке. Надо оговорить, что самым низким уровнем энергии будет обладать кристалл, в котором все дислокации в процессе деформации аннигилировали, то есть исчезли. Однако это нельзя осуществить обычной пластической деформацией при умеренных температурах.

Накопленный опыт прямых наблюдений за изменением дислокационной структуры при деформировании мягких монокристаллов при различных температурах, привел к выводам, представленным на рис.7.2.

Рис.7.2. Схема изменения дислокационной структуры при деформировании мягких монокристаллов при различных температурах

В области I формируются хаотически расположенные дислокации, их плотность еще не велика. В области II, когда возросла величина деформации и соответственно плотность дислокаций, в кристалле образуются характерные скопления дислокаций типа сплетений, жгутов или клубков, разделенных между собой областями кристалла, почти не имеющих дислокаций. Эти

жгуты и сплетения из дислокационных линий или клубки являются как бы промежуточной стадией формирования равновесных дислокационных стенок, которые возникают в области III.

Изменение дислокационной структуры от хаотического распределения к образованию сплетений или клубков из дислокации и далее к образованию стабильных стенок из них одновременно означает и снижение внутренней энергии этих дислокационных образований. Структура самопроизвольно переходит к более выгодному распределению дислокаций, когда их плотность резко возрастает по мере увеличения деформации кристалла. Конечно, общий уровень внутренней энергии сильно деформированного кристалла выше, чем слабо деформированного, вследствие роста плотности дислокаций от степени деформации; однако рост внутренней энергии будет неизбежно иметь затухающий характер при возрастании величины деформации.