Пластическая деформация, накопленная в результате процесса ползучести, является следствием незначительного взаимного смещения сопряженных объемов.
При растяжении образцов из поликристаллического металла с высокими скоростями ползучести в зернах его возникают полосы скольжения, а на образце появляется шейка, как и при деформировании в условиях комнатной температуры.
В случае низких скоростей ползучести происходит смещение одних зерен по отношению к другим. Это доказано экспериментально: на шлифованные алюминиевые образцы, которые, например, можно получить при металлообработке на rms.msk.ru, наносилась сетка, после чего последние испытывались на ползучесть. Если бы скольжение зерен по границам отсутствовало, линии, образующие сетку, не претерпевали бы разрывов.
Установлено, что границы зерен оказывают существенное влияние на распространение скольжения. Сами границы под влиянием скольжения по ним могут перемещаться в новое положение, благоприятствующее продолжению скольжения по границам.
Ползучесть металла
Применение теории дислокаций к анализу процесса ползучести позволяет объяснить различные явления, сопровождающие ползучесть, а также получить ценные рекомендации для повышения жаропрочности материалов.
Согласно структурной теории ползучести, предложенной И. А. Одингом, скорость ползучести определяется плотностью дислокаций (их числом в единице объема), подготовленных к движению. В технических металлах и сплавах дислокации встречают при своем движении различные препятствия. К таким препятствиям относятся: свободные от атомов узлы кристаллической решетки (вакансии), дислоцированные атомы, атомы, входящие в твердый раствор основной решетки (чужеродные атомы). Если эти препятствия находятся вблизи источника дислокаций, то они вызывают повышение величину критическое напряжения, при котором начинается генерация новых дислокации. При удалении препятствий от источника они тормозят движение дислокаций. С этой точки зрения насыщенный твердый раствор должен обладать более высоким сопротивлением ползучести по сравнению с ненасыщенным твердым раствором. Однако при оценке влияния вышеуказанных точечных препятствий необходимо учитывать расстояние, на котором они находятся друг от друга, а также их диффузионную способность: при достаточно большом расстоянии между препятствиями и при большой скорости диффузии указанные препятствия не могут затормозить заметного количества дислокаций.
Рассмотренные препятствия являются нестабильными. В зависимости от условий, в которых находится металл, они могут изменяться: может увеличиваться расстояние между ними, увеличиваться их скорость диффузии, что будет неизбежно сказываться на ходе ползучести.
Другими препятствиями для движения дислокаций являются зоны Гинье—Престона, возникающие при дисперсионном твердении, а также «облака» чужеродных атомов, окружающие дислокации (точнее более высокая концентрация чужеродных атомов на действующих плоскостях скольжения). Облака образуются в результате миграции чужеродных атомов к дислокации под влиянием силового поля, возникающего вокруг нее: атомы, размеры которых больше атомов основной решетки, скапливаются в растянутых областях, а атомы с меньшими размерами — в сжатых областях.
Если облако будет легко диффундировать в материале, что имеет место при высоких температурах, то скорость ползучести будет большая. При малых скоростях диффузии облака высокие скорости ползучести возможны только в случае вырывания дислокации из облака чужеродных атомов, т. е. при приложении к металлу большой величины внешних напряжений.
Таким образом, перемещение дислокаций зависит от диффузионной способности облаков, окружающих их. В случае, если облака препятствуют движению дислокаций, последние могут освободиться от них путем диффузии.
В процессе ползучести при постоянном напряжении наряду с возникновением новых дислокаций и их задержкой около препятствий происходит освобождение от препятствий задержанных дислокаций. Следовательно, в каждый момент времени в материале имеется определенное количество дислокаций, подготовленных для начала движения. Если это число (плотность) дислокаций, подготовленных к движению, велико, то будет велика и скорость ползучести. Плотность же дислокаций, готовых начать движение, зависит от числа препятствий и их стабильности, которая определяется диффузионными константами материала. На первой стадии ползучести происходит накопление дислокаций у препятствий, что повышает сопротивление ползучести, и скорость ее уменьшается.
Таким образом, с точки зрения теории дислокаций для подавления процесса ползучести необходимо подавить диффузию, т. е. стабилизировать препятствия, а следовательно, создать устойчивую блокировку дислокаций.
Управляя плотностью дислокаций в металлах и их распределением в зернах и на границах зерен, можно достигнуть весьма эффективного повышения жаропрочности и прочности металлов. Например, с помощью термопластической обработки армко-железа (растяжением на 0,2% при температуре 450 °С и выдержке в течение 72 ч) скорость ползучести получается в 25 раз меньше но сравнению с нормализованным состоянием.