17.3. Торможение дислокаций дисперсными частицами

В промышленных сплавах вторая фаза чаще распределена в виде дисперсных включений внутри основной фазы, например после старения. В таких сплавах действуют разные по своей природе факторы, вызывающие торможение дислокаций.

17.4. Выгибание дислокаций между дисперсными частицами

Если расстояние между частицами второй фазы достаточно ве­лико, дислокация под действием касательного напряжения от приложенной нагрузки выгибается между ними (рис. 17.4). При этом благодаря линейному натяжению возникает восстанавли­вающая сила. В соответствии с формулой (106) напряжение, необходимое для проталкивания дислокации между частицами, разделенными расстоянием l:

t_пр =Gb/l (17.6)

При напряжении t >t_пр линия дислокации выгибается между частицами, ее участки смыкаются за каждой частицей и, оста­вив вокруг частиц петли, дислокация продолжает скользить в прежнем направлении. Механизм смыкания двух изогнутых ветвей дислокации вокруг частицы с образованием петли аналогичен механизму смыкания двух спи­ральных участков с образованием петли, генерируемой источ­ником Франка—Рида. В отличие . где зона сдвига находится внутри расширяющейся петли, на рис. 4 она расположена вне петли, которая сужается, образуя кольцо вокруг частицы. Каждая новая дислокация, проходя между частицами, оставляет bokuvt каждой из них кольцо. и суммарная длина дислока­ций, а соответственно и энер­гия возрастают. Ожерелья из взаимоотталкивающихся дис­локационных колец вокруг дисперсных частиц создают поля упругих напряжений, за­трудняющие проталкивание новых дислокаций между ча­стицами.

Рис. 17.3 Стадии выгибания скользящей дислокации между частицами второй фазы с образованием петель

Рассмотренный механизм обхода частиц второй фазы называется, по имени его ав­тора, механизмом Орована.

17.5. Локальное поперечное скольжение

Другие механизмы обхода дислокациями частиц второй фазы— локальное поперечное скольжение (рис. 17.4,) и при повышен­ных температурах переползание.

Рис. 17.4 Стадии локального поперечного скольжения при обходе дислокацией частицы второй фазы

Локальное поперечное скольжение начинается после того, как, например, скользящая краевая дислокация, выгибаясь между частицами второй фазы. образует винтовые сегменты (рис. 17.4, а). Эти сегменты могут совершать двойное поперечное скольжение, переходя в новую плоскость скольжения для об­хода частицы и затем возвращаясь в плоскость, параллельную исходной (участки типа /—2 на рис. 17.4, б). Винтовые сегменты, имея разный знак, выгибаются навстречу один другому (рис, 17.4,в) и аннигилируют, оставляя позади частиц призматическую петлю и образуя двойную ступеньку на продолжающей сколь­зить дислокации (рис. 17.4, г).

17.6. Перерезание дислокациями дисперсных частиц

С уменьшением расстояния между частицами в соответствии с формулой (17.5) возрастает напряжение, необходимое для про­талкивания между ними дислокаций, и может наступить мо­мент, когда более легким путем оказывается прохождение дис­локации через тело частиц, как бы перерезание частиц (17.5). Из-за того, что решетка частицы отличается от ре­шетки матрицы, скользящая в матрице дислокация при вхождении в решетку частицы создает в ней сильное наруше­ние упаковки атомов вдоль плоскости сдвига. Частица сдвигается на величину век­тора Бюргерса дислокации матрицы, который отличается от вектора трансляции решетки частицы- Внутри частицы возникает высокоэнергетическая по­верхность раздела, что является одной из причин торможения дислокаций. Ясно, что частицы больших размеров и высоко-прочные частицы дислокациями не перерезаются.

Рис. 17.5 Перерезание дисперсной частицы скользящей дислокацией

Другая причина торможения дислокаций—увеличение по­верхности раздела между матрицей и перерезанной частицей, на поверхности которой по­являются ступеньки (см. рис. 6). Можно предпола­гать, что это увеличение по­верхности вносит сущест­венный вклад в торможе­ние дислокаций, если ча­стицы очень малы,

Еще одна важная при­чина торможения дислока­ций—существование в мат­рице дальнодействующего поля упругих напряжений вокруг частиц. Эти напря­жения возникают из-за раз­ности в удельных объемах частицы и матрицы, из которой вы­деляется частица. Если выделение когерентно матрице, упругие деформации обеспечивают плавное сопряжение решеток е раз­ными параметрами.

Какой путь выбирает дислокация в сплаве с дисперсными частицами—выгибание и обход частиц или их перерезание, за­висит от соотношения многих факторов.

Небольшие когерентные частицы могут перерезаться дисло­кациями. Чем прочнее частицы и больше их модуль упругости, тем труднее они перерезаются дислокациями.

Большие некогерентные частицы, находящиеся на значи­тельном расстоянии одна от другой, обычно обходятся дислока­циями с образованием петель.

Явления торможения дислокаций дисперсными частицами второй фазы широко используют при разработке высокопрочных материалов.

17.7. Торможение дислокаций атомами примесей и

легирующих элементов

17.7.1. Торможение дислокации атмосферами Коттрелла,

Сузуки и Снука

Скользящая дислокация стремится увлечь за собой атмосферу Коттрелла, которая в отличие от скользящей дислокации мо­жет перемещаться только диффузионным путем. Поэтому атмо­сфера из растворенных атомов способна перемещаться вместе с дислокацией, находящейся в центре этой атмосферы, лишь при высоких температурах и очень малых скоростях скольжения дислокации. При увеличении скорости скольжения атмосфера несколько отстает от ядра дислокации, и сила притяжения к ат­мосфере тормозит дислокацию. В этом случае скорость движе­ния дислокации все еще лимитируется скоростью миграции ато­мов атмосферы. Дислокации вместе с атмосферами Коттрелла могут скользить, например, в условиях ползучести.

При повышенных скоростях деформирования или невысоких температурах атмосферы не могут поспеть за дислокациями и удерживают их- Энергия связи атома атмосферы с дислокацией определяет работу, которую не­обходимо затратить для отрыва дислокации от своей атмосферы. Нсли напряжение от приложенной нагрузки недостаточно для отрыва дислокации от атмосферы, то дислокация остается за­крепленной, неподвижной. Такое закрепление дислокаций атмо­сферами Коттрелла способствует большому упрочнению ме­талла примесями и малыми добавками.

Отрыву дислокации от коттрелловской атмосферы помо­гают тепловые флуктуации, которые способны образовать полу­петлю длиной в несколько межатомных расстояний, свободную от примесных атомов (17.6). Под действием напряжений перегибы на дислокации удаляются один от другого, и дислока­ция постепенно освобождается от удерживающей ее атмосферы. С понижением температуры роль термического возбуждения в отрыве дислокаций от коттрелловской атмосферы падает, и для освобождения дислокаций необходимо повышать напря­жения.

Рис. 17.6. Отрыв дислокации от атмосферы Коттрелла

«Химическая» связь атомов растворенного элемента с растя­нутой дислокацией обусловливает торможение дислокаций ат­мосферами Сузуки. В отличие от коттрелловских атмосфер, которые образуются вдоль линий дислокаций и потому насы­щаются при очень небольших содержаниях примеси (сотые и даже тысячные доли процента), атмосферы Сузуки из-за отно­сительно большой площади дефекта упаковки насыщаются при довольно больших концентрациях легирующего элемента (це­лые проценты). Поэтому сильное тормозящее действие атмосфер Коттрелла проявляется уже при малом содержании при­месей, а значительное тормозящее действие атмосфер Сузуки должно проявляться при гораздо больших концентрациях ле­гирующих элементов. При большой ширине дефекта упаковки термические флуктуации практически не могут разблокировать растянутую дислокацию с атмосферой Сузуки. Поэтому в уп­рочнении сплавов роль блокировки дислокаций атмосферами Сузуки должна сильнее проявляться при высокотемпературном деформировании, когда термические флуктуации способствуют отрыву дислокации от коттрелловских атмосфер.

Если вокруг дислокации существует атмосфера Снука с упорядоченным расположе­нием атомов внедрения в октаэдрических пустотах, то она должна тормозить движение дислокаций, вызывающее нарушение указанной упорядоченности.