книги / Физическое металловедение титана

Таким образом, атом внедрения должен выталкивать­ ся из положения в и притягиваться в положение г. Лишь вторая конфигурация является термодинамически устой­ чивой. Качественно этот вывод понятен—в первом поло­ жении реализуются лишь три связи, а во втором четыре.

Хотя неясно, насколько результаты, полученные для двухмерной модели отражают силы межатомного взаи­ модействия в растворах внедрения в а-титане, Тайсон полагает, что при оценке взаимодействия атомов кисло­ рода с дислокациями в а-титане необходимо учитывать не только искажения решетки, вызванные растворенным атомом, но и изменения в числе реализованных химичес­ ких связей. По-видимому, это заключение является дос­ таточно общим и его можно распространить на все рас­ творы, для всех металлов. Разумеется, в одних случаях до­ полнительное химическое взаимодействие может быть ничтожно малым, а в других—значительным.

Позднее Сэржент и Конрад [72] предположили, что в а-титане между атомами кислорода и атомами титана действует не металлическая, а ковалентная связь. Сво­ бодная энергия образования соединения ТЮ2 составляет примерно 200 ккал/моль при комнатной температуре. В соединении ТЮ2 атом кислорода находится в октаэдри­ ческих порах и окружен шестью атомами титана, так что на одну связь Ti—О приходятся 33,3 ккал/моль, или 1,45 эВ/атом (1 эВ соответствует 23 ккал/моль). Энер­ гия одной связи в соединении ТЮ2 оказывается близкой к энергии активации деформации титана при низких тем­ пературах (1,40 эВ). Ковалентный характер связей Ti—О подтверждается также очень большой энергией актива­ ции при диффузии кислорода в а-титане и сильной тен­ денцией растворов кислорода в титане к упорядочению.

Теоретическая оценка энергии взаимодействия атомов замещения с дислокациями в титане встречает затрудне­ ния, так как для них параметры ett и ес неизвестны. Кро­ ме того, для металлов с г. п. у. решеткой характерна большая анизотропия упругих характеристик, которая оказывает влияние как на искажения решетки, внесен­ ные чужеродным атомом, так и на поле напряжений вок­ руг дислокаций. Если исходить из различия размеров ле­ гирующих элементов и атомов титана, то можно заклю­ чить, что в а-титане с дислокациями должны довольно сильно взаимодействовать атомы бериллия, никеля, ко­ бальта, железа, марганца, хрома (энергия взаимодейст­

93

Доказательства взаимодействия атомов водорода с дислокациями в а-титане [73] и его сплавах с алюми­ нием [30, с. 26, 93] получены при изучении внутреннего трения, а также методом элёктронномикроскопической авторадиографии [8, 50].

Г л а в а III

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

СИСТЕМЫ СКОЛЬЖЕНИЯ а-ТИТАНА

В отличие от таких классических гексагональных метал­ лов, как магний, цинк, кадмий, в которых скольжение осуществляется в основном лишь по одной плоскости — плоскости 'базиса (0001) —в а-титане скольжение_про--

исходит преимущественно по призматическим {1010} и

пирамидальным {1011} плоскостям. Скольжение по этим плоскостям развивается вдоль плотноупакованных на­

правлений < 1 2 1 0 > , лежащих в плоскости базиса. .Кро­ ме скольжения в направлениях <1210>, в титане вдоль плоскостей пирамиды {1011} и {1122} наблюдается внебазисное скольжение в направлениях <1213> или с-{-

:+а, которые не лежат в плоскости базиса [10, 67]. По­ добное скольжение было обнаружено не только в титане, но и в его сплавах с 3 и 7% А1 [28, с. 459].

В соответствии с критерием Мизеса пластическая де­ формация 1поликристаллического агрегата протекает без нарушения сплошности, если его зерна обладают не ме­ нее чем пятью независимыми системами сдвига. Этот кри­ терий выполняется для всех кубических металлов, но не для всех металлов с гексагональной илотноупаковаиной структурой.

- В г. п. у. кристаллах комбинация базисного и приз­ матического скольжения или одно пирамидальное сколь­

жение в плотноупакованных направлениях < 1120> обеспечивают лишь четыре независимых способа сколь­ жения. Комбинация скольжения по всем плоскостям при тех же самых направлениях скольжения также дает

95

где К — энергетический множитель;

d — расстояние между соседними кристаллографи­ ческими плоскостями;

56б — преобразованная в системе осей дислокации эф­ фективная упругая податливость.

Плоскость наиболее легкого скольжения должна со­ ответствовать наименьшей, энергии дислокаций и наи­ большему значению отношения h/b. Значения этих пара­ метров приведены в табл. 4 и 7. Из анализа этих данных следует, что в титане скольжение должно осуществлять­ ся преимущественно по призматическим и пирамидаль­ ным плоскостям, что и подтверждается эксперименталь­ но.

Когда экспериментально были определены системы скольжения для большинства гексагональных металлов, оказалось, что ' ни соотношение осей с/а, ни критерии, предложенные Эшелби, не согласуются с опытными дан­ ными [4, 10]. Наиболее показателей в этом отношении бериллий. У бериллия, как и у титана, соотношение с/а= •=■1,568 меньше теоретического, равного 1,633. Поэтому базисное скольжение не должно было бы быть домини­ рующим видом 'пластической деформации бериллия. Кри­ терии Эшелби (Е и h/b) также предсказывают для берил­ лия не базисное, а призматическое скольжение (см. табл. 7). Тем не менее в бериллии доминирует базисное сколь­ жение, а не призматическое или пирамидальное [4, 63].

Снижение энергии дефекта упаковки способствует рас­ щеплению дислокаций в плоскости скольжения и облег­ чает скольжение. Поэтому были предприняты попытки связать закономерности скольжения в г. п. у. металлах с энергией дефектов упаковки в базисных плоскостях. Та­ кой подход к объяснению закономерностей скольжения дает удовлетворительные результаты для титана. Как упоминалось -выше, энергия дефектов упаковки в ба­ зисных плоскостях для титана велика (порядка 200 эрг/см2) , и поэтому базисное скольжение в титане ма­ ловероятно. Однако применение этого критерия к другим гексагональным металлам дает неудовлетворительные результаты. Так, в частности, у бериллия энергия дефек­ тов упаковки в плоскости базиса велика, а скольжение в базисной плоскости доминирует [63].

Значительно лучшее соответствие наблюдаемых сис­ тем скольжения в г. п._у. металлах с теоретически ожи­ даемыми дает гипотеза Репье и Дюпуи [63, 64], в основе

предположить, что энергия дефектов упаковки в призма­ тических плоскостях мала, если разница свободных энер­ гий указанных двух модификаций невелика.

Ренье и Дюпуи [64] полагают, что в тех г. п. у. метал­ лах, р которых отсутствует полиморфное превращение, наблюдается большая энергия дефектов упаковки в при­ зматических плоскостях. В этих металлах (Mg, Cd, Zr) энергия ym по-видимому, значительно 'больше энергии 7б и базисное скольжение доминирует. В металлах, имею­ щих 'полиморфные превращения, энергия уп тем меньше, чем ниже температура полиморфного превращения.

В титане, цирконии и гафнии полиморфное превраще­ ние происходит при сравнительно низких температурах, и поэтому можно полагать, что для них ун сравнительно невелико и значительно меньше уб. В этих металлах дис­ локации в призматических плоскостях расщеплены в зна­ чительной степени, в то время как диссоциации дислока­ ций в плоскости базиса не должно быть из-за высокой э. д. у. в этих плоскостях. Винтовые дислокации из плос­ костей призмы не переходят в плоскости базиса, а вин­ товые дислокации из плоскости базиса могут легко пе­ реместиться в плоскость призмы II диссоциировать в ней на частичные. В итоге, источники дислокаций в призма­ тических плоскостях могут легко работать, в то время как источники дислокаций в базисных плоскостях блоки­ руются участками дислокационных петель с винтовой ориентацией, перешедших .путем поперечного скольжения в призматические плоскости. Напомним, что описанные выше результаты (см. с. 71) свидетельствуют о винтовой ориентации наблюдаемых в титане дислокаций.

У бериллия температура полиморфного превращения близка к точке плавления, поэтому можно полагать, что

э.д. у. в призматических плоскостях значительно больше

э.д. у. в тех же плоскостях для титана, циркония и гаф­ ния. В связи с этим в бериллии скольжение дислокаций

вбазисных плоскостях является доминирующим меха­

низмом скольжения.

По-видимому, все же соотношение температур по­ лиморфного превращения и плавления не является дос­ таточным критерием для сопоставления э. д. у. в призма­ тических и базисных плоскостях, особенно если учесть, что полиморфные превращения происходят при довольно высоких температурах, а обсуждаются механизмы сколь­ жения при комнатной температуре. Действительно, соот-

ношение Тпр/Тпл для иттрия близко к единице, а домини­ рует скольжение по плоскостям призмы (см. табл. 7).

По нашему мнению, об энергии дефектов упаковки в призматических плоскостях можно более строго судить не по температуре полиморфных превращений, а по раз­ ности энергий данного металла с г. п. у. и о. ц. к. струк­

двух металлах с преобладанием базисного скольжения — кобальте и рении, для которых известны эти энергии, ве­ личина АЕ существенно больше, чем для металлов, в ко­ торых доминирует базисное скольжение.

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ а-ТИТАНА СКОЛЬЖЕНИЕМ

Пластическая деформация как монокристаллического, так и поликристаллического титана осуществляется в_ос-

иовиом призматическим скольжением по системе {1010} <1210> . Скольжение по пирамидальным плоскостям {10011} и {1012} является, как правило, вторичным [74]. В отличие от других металлов с гексагональной структу­ рой в титане может происходить поперечное скольжение

по тем же {1010} плоскостям, что и первичное скольже­ ние. При деформации а-титана наблюдали также сбросообразование.

При всех температурах критические скалывающие напряжения а-титана для призматического сдвига мень­ ше, чем для базисного: они составляют соответственно 2 и 8,5 кгс/мм2 при комнатной температуре; 4 и 17,5 кгс/мм2 при 200 К [75]. С уменьшением чистоты титана крити­ ческие скалывающие напряжения для призматического сдвига (tnj растут быстрее, чем для базисного (тб), так что отношение Тп/тб увеличивается [76]. Так, в частности, при содержании в титане 0,1% кислорода и азота крити­ ческие скалывающие напряжения для призматического, пирамидального и базисного сдвигов составляют 9,2; 9,90 и 10,9 кгс/мм2 соответственно [34]. Поэтому в титане невысокой чистоты базисное скольжение равновероятно с призматическим,

100