Размерного соответствия

При образовании твердых растворов оа, от и НВ повышаются (твердорастворное упрочнение). В неупорядоченном твердом растворе возникающие вокруг атомов растворенного элемента поля упругих напряжений затрудняют скольжение дислокаций. Степень торможения дислокаций в твердом растворе определяется фактором размерного несоответствия атомов растворителя и растворенного элемента, разностью модулей упругости и возрастает пропорционально концентрации.

где G - модуль сдвига, е - степень. размерного несоответствия (или искажение), ас- концентрация растворенных атомов. Искажение, порождаемое различием Да между параметром кристаллической решетки чистой матрицы а0 и а — параметром решетки растворенного атома, есть

кого течения воспринимается как изменение в характере порождаемых дефектов, связанное с изменением механизмов скольжения. Отмечено [3], что исходя из критических температур упорядочения фаз Ni3X, титан, ниобий и тантал не должны существенно увеличить энергию АРВ. Однако титан и, возможно, тантал, могли бы увеличивать энергию дефектов другого типа. В результате анализа серии данных с целью расчета энергии АРВ в зависимости от содержания легирующего элемента было установлено [22], что энергию этих дефектов можно изменять в достаточно широких пределах (табл.3.2, ее анализ приводится ниже при обсуждении принципов проектирования сплавов). Упрочнение за счет размерного несоответствия. Сделанные ранее [l] попытки объяснить зависимость приведенного критического напряжения сдвига от размеров частиц влиянием на него когерентных напряжений оказались неудачными. Согласно модели Герольда и Хаберкорна [31] главная роль принадлежит взаимному влиянию дислокаций и деформации, а перерезание частиц — следствие этого влияния1. Расчеты в общем виде

где А=Ъ для краевых и А=\ для винтовых дислокаций. Согласно этому уравнению напряжение пластического течения должно возрастать немного быстрее величины с, поскольку возрастание размерного несоответствия вызывает больший прогиб дислокации и заставляет дислокацию взаимодействовать с возросшим количеством зон, противодействующих ее движению.

Нембах и Найте [34] произвели углубленнный пересмотр экспериментальных доказательств, опирающихся на зависимость прочности суперсплавов от несоответствия кристали-ческих решеток. Они пришли к выводу об отсутствии убедительного экспериментального доказательства влияния размерного несоответствия на сопротивление пластическому течению у недостаренных сплавов, упрочняемых выделениями Г'-фазы. Нашли также [34], что размерное несоответствие кристаллических решеток в некоторых промышленных сплавах не дает существенного вклада в уровень прочности.

Сплавы без размерного несоответствия. Справедливость основных компонентов модели Брауна — Хэма, характеризующей взаимодействие между парными дислокациями и упорядоченной решеткой частиц, уже подтверждена экспериментами на сплаве Nimomic РЕ 16 [43] с применением высоковольтного электронного микроскопа. Показано, в частности, что головная дислокация сильно выпучивается между частицами •у', в то время как ведомая остается практически прямолинейной. Расстояние между соседними частицами вдоль головной дислокации находится в разумном согласии с уравнением (3.12). Можно полагать, что при небольшом размерном несоответствии или его отсутствии объемная доля / частиц представляет собой наиболее важную из числа переменных, определяющих сопротивление пластическому течению и ползучести. Она варьирует в сплавах, склонных к упрочнению выделениями у '-фазы, от 0,2 у сплава Nimonic 80A до 0,6 у сплавов MAR-M 200 и 713С. Самые современные сплавы содержат до 70 % у' -фазы. Сопротивление пластическому течению у двойных сплавов Ni—Al, состаренных на максимальную твердость [15], и тройных Ni—Cr—Al с объемной долей у'-фазы от 0,4. до 0,6 явно нечувствительно к температуре (рис. 3.9). Предел текучести сплава MAR-M 200 практически не изменяется в интервале температур от комнатной до

Рис.3.8. Классификация никелевых сплавов по степени размерного несоответствия [42]

Рис.3.11. Влияние размерного несоответствия решеток на долговечность в условиях ползучести (tf = 145,644 МПа; Т = 700 °С) сплавов системы Ni— Cr— Al [53]

Сплавы, проявляющие эффект размерного несоответствия. Было высказано предположение, что между отношением концентраций Ti и А1, с одной стороны, и прочностью или сопротивлением ползучести, с другой, имеется некоторая связь. Однако относительно происхождения явлений, свидетельствующих о подобной связи, существуют значительные разногласия. Полагают [27, 29], что рост отношения концентраций титана к алюминию влияет на прочность через увеличение энергии АФГ от ~0,15 до 0,24 Дж/см2 при Ti/Al=l и 0,3 Дж/см2 при Ti/Al=8 (табл. 3.2). Представляется, следовательно, что разница в параметре решеток -у- и у'-фаз, связанная с введением Ti и достигающая 0,5%, не

Со своей стороны, Декер сам [3] и совместно с Михали-зиным [42] настаивает, что высокое размерное несоответствие может сопровождаться заметным повышением максимального уровня прочности, достигаемого в результате старения. Увеличение размерного несоответствия с 0,2 до 0,8 % сопровождалось удваиванием пиковых значений твердости ряда тройных сплавов на основе системы Ni—A1. Эти данные находятся в согласии с теорией Джеролда и Хэберкорна [31]. Другие авторы [52] обнаружили превосходное согласие модели Брауна—Хэма [22] с результатами испытаний монокристаллов системы Ni—12 % (ат.) А1 в условиях сжатия при температурах от —196 до —100 °С. Заметного изменения величины Ат в этом температурном интервале не обнаружили, хотя степень размерного несоответствия существенно изменяется с температурой. Поэтому пришли к выводу, что вклад в упрочнение со стороны когерентных искажений в данной системе незначителен. Поскольку связь между когерентными искажениями и низкотемпературной прочностью на разрыв несомненно существует, оптимальное сопротивление ползучести достигается при полном отсутствии размерного несоответствия. На рис. 3.11 показано, что при отсутствии размерного несоответствия у сплавов на основе системы Ni—Cr—A1 долговечность в условиях ползучести достигает максимума при 700 °С и напряжении 146 МПа [53]. Подтверждая эти результаты [54], усматривают причину подобного поведения сплавов в том, что низкому размерному несоответствию отвечает высокая стабильность фаз. Не очевидно, однако, что аналогичные результаты были бы получены у более прочных сплавов или при более высоких температурах. И действительно у сплавов с высокой объемной долей упрочняющей фазы 114

(/=0,68) время до разрушения возрастает с увеличением степени размерного несоответствия [55]. Как бы то ни было, теория Джеролда—Хэберкорна должна быть применима при температурах достаточно низких, чтобы рост у'-фазы оказался невозможным.

Согласно принципу ориентационного и размерного соответствия, сформулированному П. Д. Данковым, решетка возникающей фазы ориентируется относительно исходной фазы таким образом, чтобы между расположением атомов в обеих решетках было максимальное сходство и чтобы атомы новой решетки претерпевали минимальные смещения. На рис. 19 приведены схемы

возникла разность свободных энергий между исходной и образующейся, новой, модификациями. В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение очень больших степеней переохлаждения. Полиморфное превращение по своему механизму кристаллизационный процесс и осуществляется путем образования зародышей и последующего их роста. Образование зародышей идет с соблюдением принципа структурного и размерного соответствия. Рост зерен новой фазы, например, а (при охлаждении) происходит путем неупорядоченных, взаимно не связанных переходов отдельных атомов (группы атомов) через межфазную pVa границу. В результате граница зерен a-фазы передвигается в сторону ис-ходных р-зерен, «поедая» их. Такой рост новой фазы может иметь место только при высоких температурах 1. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллитов или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации. и h.e

Превращение в твердом состоянии характеризуется также тем, что образование зародыша новой фазы в твердой анизотропной среде должно проходить с соблюдением правила структурного и размерного соответствия. Тогда зародыш новой фазы ориентирован так, что он сопряжен с исходной фазой по определенным кристаллографическим плоскостям, наиболее сходным по расположению атомов и по расстоянию между ними.

П. П. Данков и С. Т. Конобеевский разработали принцип структурного и размерного соответствия: при кристаллизации в анизотропной среде превращение развивается таким образом, что кристаллическая решетка новой фазы сопрягается подобными плоскостями с кристаллической решеткой старой фазы (т. е. когерентность решеток), причем параметры их различаются минимально*.

При взаимодействии германия с перечисленными редкоземельными металлами наблюдается непрерывная растворимость в жидком состоянии и незначительная взаимная растворимость — в твердом. Последняя объясняется отсутствием структурного и размерного соответствия компонентов. В областях, богатых редкоземельным металлом и германием, в рассматриваемых системах образуются эвтектики примерно при 10 и 85 ат.% Ge. В средней части систем образуются тугоплавкие соединения составов, отвечающих формулам R5Ge3, R5Ge4, RGe и R3Ge8 (RGe2_jt при х ~ 0,4). Высокие температуры плавления и большие значения микротвердости этих

Учитывая сложность строения поверхностных пленок, отсутствие строгой стехиометричности их и довольно широкие пределы гомогенности, а также принцип ориентационного и размерного соответствия, предложенный П. Д. Данковым для процессов кристаллизации, можно считать, что правило Пиллинга-Бедвордса дает лишь приближенные результаты.

Выбор покрытий основан на изучении кристаллической структуры, размерного соответствия параметров решетки, природы поверхности кристаллов, формы и размера зерна, влаго-емкости и других факторов, влияющих на кристаллизацию поверхностного слоя литого образца [11, 64—66].

При образовании зародыша новой фазы во многих случаях соблюдается принцип структурного и размерного соответствия.

В процессе затвердевания первых слоев металла возникает "кристаллизационная" прослойка, которая образуется из расплавленных объемов свариваемых частей, перемешанных турбулентными потоками в ванне. Кристаллизация имеет направленный характер и начинается на оплавленных зернах перлитной и аустенитной стали, играющих роль те-плоотводов и плоских зародышей. Их рост осуществляется по принципу ориентационного и размерного соответствия путем единичного или группового оседания атомов жидкости во впадинах кристаллической решетки зародышей, что обеспечивает связь шва с основным металлом.

удовлетворяется условие структурного и размерного соответствия решеток.

Кристаллические решетки центров кристаллизации и кристаллизующегося на их поверхности вещества должны отвечать принципу структурного и размерного соответствия, указанного С. Т. Конобеевским и П. Д. Данковым.