Деформационное упрочнение

В связи с тем, что пластическая деформация представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения с их выходом на поверхность кристалла, возникновение всевозможных препятствий, затрудняющих движение дислокаций, вызывает упрочнение поликристалла.

К числу подобных препятствий прежде всего относятся другие дислокации, имеющиеся в кристалле, так как преодоление сил отталкивания одноименных дислокаций и точек пересечения различных дислокаций требует затрат дополнительной энергии. В связи с этим увеличение общего числа дислокаций (то есть повышение плотности дислокаций), происходящее в связи с их генерированием источниками Франка-Рида в процессе пластической деформации, сопровождается деформационным упрочнением.

Деформационное упрочнение (наклёп) металла, обрабатываемого резанием, обкаткой роликами и шариками, дробеструйным наклёпом, чеканкой и другими механическими способами упрочняющей технологии, в значительной степени основано на увеличении плотности дислокаций.

Рис. 7.5. Преодоление препятствия движению дислокации в зерне хрома.

Неподвижные препятствия (атомы примесей, дисперсные фазы и другие точечные дефекты), огибаемые движущейся дислокацией, вызывают увеличение её длины (рис. 7.5) и резкое усиление искажений кристаллической решётки, связанное с затратой дополнительной работы. На участках преодоления подобных дефектов сопротивление перемещению дислокаций значительно возрастает, то есть металл упрочняется. Равномерное распределение атомов примесей и создание дисперсных фаз достигается в настоящее время методами легирования и специальной термической и термомеханической обработкой, обеспечивая значительное упрочнение металлов.

Таким образом, дефекты решётки оказывают на сопротивление кристалла деформации двоякое действие. Способствуя образованию дислокаций, они ослабляют кристалл. С другой стороны, они упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокаций. При этом некоторой плотности дислокаций р_м соответствует минимальное сопротивление кристалла деформации (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Зависимость сопротивления деформации от числа дефектов в кристалле

Уменьшение р по сравнение с р_м приводит к повышению прочности, так как приближает структуру к идеальной. Увеличение числа дефектов по сравнению с р_м также вызывает повышение прочности вследствие увеличения сопротивления перемещению дислокаций. Все методы упрочнения, применяемые в настоящее время (наклеп, легирование, термообработка), соответствуют правой пологой ветви кривой рисунка.7.6. Значительно более заманчивым является использование левой ветви этой кривой, отвечающей получению бездефектных кристаллов, однако в этом направлении сделаны ещё только первые шаги, то есть получены тонкие нитевидные кристаллы (так называемые «усы»), обладающие почти идеальной внутренней структурой. Замечательным свойством таких кристаллов является исключительно высокая прочность, близкая к теоретической величине.

Особенно резко увеличивают сопротивление перемещению дислокаций границы кристаллических зерен, границы блоков мозаики и обособленные включения, содержащиеся в решётке. Для преодоления этих препятствий требуется приложение более высоких внешних напряжений, поэтому измельчение кристаллических зерен (создание мелкозернистой структуры металла) и дробление кристаллических блоков, во многих случаях сопровождающее пластическую деформацию обрабатываемого металла, вызывает его деформационное упрочнение.