Деформация аморфных сплавов

Поведение аморфных сплавов при деформации, как и кристал­лических материалов, зависит от процессов, протекающих на микроуровне. Однако отсутствие дальнего порядка исключает протекание пластической деформации путем движения дислокаций, так как в структуре аморфных сплавов отсутствуют кристаллографические плоскости скольжения. В связи с этим для описания механизмов скольжения эффективны модели аморфных сплавов, предполагающие их поликластерное строение. В соответствии с этими моделями аморфные твердые тела образованы кластерами, имеющими произ­вольную форму и случайную упаковку, но сохраняющими достаточно большую общность.

Предполагается, что границы кластеров обладают тем же атомным строением, что и слои скольжения в кристаллических веще­ствах. Однако в силу случайной упаковки кластеров и их произволь­ной формы сквозная межкластерная граница отсутствует. Поэтому скольжение путем движения дислокаций происходит не гомогенно, а вдоль тех участков кластерных границ, где касательные напряжения достигают критического уровня (при этом разрывы происходят в местах концентрации, нормальных к границе растягивающих напря­жений).

Негомогенная пластическая деформация аморфных сплавов сопровождается микроразрушениями (при гомогенной деформации весьобразец деформируется пластически). Структура полосы скольжения в этом случае имеет вид, представленный на рис. 4.21, где жир­ными линиями выделены края этой полосы, а межкластерные участки заштрихованы.

Рис. 4.21. Структура полосы негомогенного скольжения на начальной (а) и конечной (б) стадиях пластической деформации аморфных сплавов

Основными параметрами пластического течения аморфного сплава являются скорость движения полосы скольжения и предел текучести.На микроуровне прочность аморфных сплавов, как и в случае кристаллических тел, определяется модулями упругости.

Термическая обработка

Термическая обработка — обработка, заключающаяся в изме­нении структуры и свойств материала заготовки вследствие тепловых воздействий.

Основные параметры термической обработки — температура нагрева, скорость нагрева, продолжительность выдержки при темпе­ратуре нагрева и скорость охлаждения.

Выбор температуры нагрева сплава при конкретном виде тер­мической обработки определяется температурами фазовых превра­щений (например, критическими температурами на соответствующей диаграмме состояния). Температура нагрева, чтобы не допустить оп­лавления, не должна превышать температуру плавления (линию солидус на диаграмме состояния).

Поскольку при нагреве и охлаждении сплавов с реальными скоростя­ми фазовые превращения в твердом состоянии протекают со значительным тепловым гистерезисом, следует отличать критические температуры при нагреве сплава от аналогичных температур при его охлаждении. Скорость нагрева выбирается в зависимости от ряда факторов: теплопроводности материала, формы и размеров изделий, общей массы нагреваемых изделий, характера их расположения в печи и не­которых других.

Продолжительность выдержки при заданной температуре на­грева определяется скоростью фазовых превращений. Выдержка не­обходима для полного завершения фазовых превращений и выравни­вания температуры по всему объему изделия.

Скорость охлаждения выбирается в зависимости от степени ус­тойчивости фиксируемой фазы при данном химическом составе, а также от требуемых структуры и свойств.

Основными видами термической обработки являются отжиг, закалка, отпуск и искусственное старение. Разновидности термиче­ской обработки − термомагнитная и электротермическая обработ­ки, обработка холодом и др.

Термомагнитная обработка− разновидность термической обработки, позволяющая улучшить некоторые магнитные свойства материалов в ре­зультате охлаждения изделий из них в магнитном поле.

Электротермическая обработка− разновидность термической обра­ботки материалов с использованием электрического нагрева (индукцион­ного, контактного и др.). Позволяет использовать большие скорости на­грева, а также нагревать отдельные участки изделия либо только его по­верхностный слой.

Термической обработке для перевода изделий в более стабильное состояние после механической обработки подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, а также сварные соединения, детали машин и инструменты.

Упрочнению термической обработкой подвергаются до 8... 10 % , общей выплавки стали в стране. Номенклатура упрочняемых деталей велика − от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического, тракторного, энергетическо­го оборудования.

Отжиг

Отжиг − термическая обработка материалов (например, металлов, полупроводников, стекол), заключающаяся в нагреве до определен­ной температуры, выдержке и медленном охлаждении (3...200 °С/ч). Цель отжига − улучшение структуры и обрабатываемости материалов, снятие внутренних напряжений и др. Микроструктура материа­лов в результате отжига становится равновесной.

Отжиг для металлов и сплавов в зависимости от температуры на­грева имеет разновидности: возврат и рекристаллизационный отжиг.

Возврат− нагрев деформированных металлов и сплавов ниже температуры их рекристаллизации (~ 0,2 t_пл), выдержка и медленное охлаждение (с печью) для частичного восстановления их структурного совершенства в результате уменьшения плотности дефектов строе­ния, однако без заметных визуально изменений микроструктуры. Возврат обусловлен микроструктурными изменениями внутри каждого зерна. Возврат включает две стадии − отдых и полигонизацию.

Отдых− начальная стадия процесса возврата деформированного металла, протекающая при низкотемпературном (до 0,2 t_пл) на­греве и объединяющая процессы, связанные с диффузионным пере­распределением точечных дефектов (сток к границам зерен и дислокациям) и их частичной аннигиляцией (взаимное уничтожение). При отдыхе также происходит перегруппировка дислокаций без образо­вания новых блоков внутри зерен. Отдых используют для устранения внутри отдельных зерен или в объеме сплава неоднородности химического состава, возникающей чаще всего в процессе кристаллиза­ции, а также для частичной релаксации напряжений.

Полигонизация− стадия процесса возврата деформированного металла, протекающая при нагреве до 0,3...0,4 t_пл, связанная с разде­лением деформированных зерен на полигоны (блоки, субзерна) с ма­лой плотностью дислокаций. Границы полигонов (стенки, субграни­цы) образуются при энергетически выгодном выстраивании дислока­ций в результате их диффузионного движения, а также их частичной аннигиляции (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Схемы полигонизации: а - распределение дислокаций после деформации; б – образование внутризеренных блоков

Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упругих ис­кажений (внутренних напряжений) кристаллической решетки и более полному восстановлению физических свойств. Механические свойст­ва при этом изменяются незначительно (происходит снижение проч­ности). Текстура сохраняется, хотя и становится блочной.

Полигонизация после больших деформаций, как правило, яв­ляется начальной стадией рекристаллизации.

Рекристаллизация− процесс зарождения новых кристалличе­ских зерен в поликристалле и их роста за счет имевшихся ранее.

Рекристаллизацию можно представить в виде стадий: первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки), собирательная и вторичная рекристаллизации. Для того чтобы в металле протекала рекристаллизация, необходима его хотя бы минимальная предвари­тельная холодная обработка, обеспечивающая критическую степень деформации.

Первичная рекристаллизация− процесс зарождения и роста новых равноосных зерен при нагреве до полного исчезновения тек­стуры, созданной деформацией. Температура начала первичной рек­ристаллизации (температурный порог рекристаллизации) меняется от 0,1...0,2 t_пл −для чистых металлов до 0,5...0,6 t_пл −для твердых растворов. Зародышами новых зерен являются отдельные энергетически выгодные блоки (центры рекристаллизации).

После исчезновения текстуры в процессе первичной рекри­сталлизации металл приобретает равноосную мелкозернистую структуру. Наклеп практически полностью снимается, и свойства материалаприближаются к их исходным значениям. Разупрочнение объясняется снятием искажения кристаллической решетки и резким уменьшением плотности дислокаций. Свойства металлов и сплавов после первичной рекристаллизации близки к свойствам после их от­жига.

Для полного снятия наклепа металлы нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристалли­зации и полноту ее протекания. Такая термическая обработка получила название рекристаллизационного отжига.

Рекристаллизационный отжиг − нагрев деформированных ме­таллов и сплавов до температур более 0,4 t_пл − для технически чистых металлов и 0,5...0,6 t_пл − для сплавов (твердых растворов), выдержка и медленное охлаждение (с печью) для улучшения структуры и обраба­тываемости, снятия внутренних напряжений, управления формой и размерами зерен, текстурой и свойствами металлов. Разновидностью рекристаллизационного отжига является нормализация.

Нормализация (нормализационный отжиг) − вид термической обработки, заключающийся в нагреве деформированных металлов и сплавов до температур выше температурного порога рекристаллиза­ции, выдержке и охлаждении на воздухе для придания металлу однородной мелкозернистой структуры, что обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости.

Собирательная рекристаллизация − процесс роста одних равноосных зерен за счет исчезновения других путем фронтального пе­ремещения граничных зон растущих зерен и поглощения при этом мелких. Собирательная рекристаллизация происходит после завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагре­ва. Структура материала в результате такого процесса характеризу­ется увеличением размеров зерен при уменьшении их числа.

Вторичная рекристаллизация− процесс ускоренного роста отдельных зерен, приводящий структуру материала к разнозернистости. Зерна, растущие с большей скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые центры. В результате вторичной рекристаллизации образуется разнозернистая структура, которая представляет собой множество мелких зерен и небольшое число очень крупных. Вторичная рекристаллизация приводит к ухудшению механических свойств.

При вторичной рекристаллизации после высоких степеней предшествующей деформации нередко возникает текстура рекри­сталлизации. Характер текстуры рекристаллизации определяется ви­дом предшествующей обработки давлением (прокатка, волочение и др.), условиями проведения отжига, а также количеством и природой примесей. Текстуру рекристаллизации можно наблюдать в меди, алюминии, железе и других металлах. При образовании текстуры рекристаллизации отожженный поликристаллический металл харак­теризуется анизотропией свойств.

Влияние нагрева при отжиге на микроструктуру деформационно-упрочненного металла и величину механических свойств (пла­стичности, прочности) схематически представлено на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Влияние нагрева при отжиге на изменение структуры деформационно-упрочненного материала и величину его механических свойств

Закалка

Закалка− термическая обработка материалов, заключающая­ся в нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при медлен­ном охлаждении. В результате закалки, как правило, образуется нерав­новесная структура. Разновидность закалки − поверхностная закалка.

Температурный режим закалки включает в себя:

1) нагрев сплава до температуры фазового превращения;

2) быстрое охлаждение (охлаждающие среды − вода, масло, расплавленные соли, свинец, воздух и др.).

Область применения закалки − материалы (в ос­новном сплавы), имеющие пре­вращения в твердом состоянии (переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад вы­сокотемпературного твердого раствора по эвтектической ре­акции и др.).

Рассмотрим закалку для металлических сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (рис. 4.24). Для состава «с» температурой закалки будет t^/ (температура на 30-50 °С выше критической линии). Быстрым охлаждением от температуры закалки полностью подавляют выделение вторичных кристаллов и в результате получают однофазный сплав, представляющий собой пересыщенный компонентом В твердый раствор. Структура такого сплава неравновесная (рис. 4.25).

Закалка неорганических стекол заключается в их нагреве до температуры выше Т_ст и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или масла.

Закалка существенно влияет на физические свойства. Так, в сплавах она изменяет структурно-чувствительные физические и химические свойства: увеличиваются прочность, хрупкость, удельное электросопротивление, коэрцитивная сила, возрастает коррозионная стойкость.

Рис. 4.24. Диаграмма состояния компонентов с переменной растворимостью в твердом состоянии	Рис. 4.25. Схематическое изображение структуры: а – сплава в равновесном состоянии; б – закаленного сплава

При закалке особенно сильно упрочняются сплавы, претерпе­вающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного механизма фазового превращения, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящего к измельчению кристаллов фаз, образующих эвтектоидную смесь.

Поверхностная закалка изделий, в отличие от объемной закалки, позволяет упрочнять только поверхностный слой на определенную глубину. Ее можно проводить двумя способами. По первому способу нагревают только поверхностный слой, который затем закаливают при охлаждении. Во втором способе нагревают все изделие, но при закалке охлаждают только поверхностный слой со скоростью больше критической.