Процесс ползучести связан с действием большого числа различных физических механизмов, каждый из которых чувствителен к влиянию определенных условий. Создатели дислокационной модели ползучести исходят из того, что в металле уже в исходном состоянии имеются дислокации и источники их зарождения.
Дислокацию можно представить как дефект в периодичности кристаллической атомной решетки.
В поликристаллических материалах границы между зернами являются областями, где могут скапливаться дислокации, способные передвигаться под влиянием приложенного напряжения. Несовершенства кристаллической решетки возникают из-за наличия включений и дисперсных карбидных частиц, выделявшихся в процессе старения стали.
Каждая дислокация окружена областью местных искажений решетки, и атомы в этой области находятся под воздействием внутренних напряжений. Эти области напряжений накладываются одна на другую. Потенциальная энергия дислокации, являющаяся мерой энергии, требующейся для ее передвижения, является функцией ее положения в плоскости кристаллической решетки, в которой находится эта дислокация.
Динамические свойства дислокаций теоретически исследованы Френком, который показал, что дислокации могут проходить через решетку со скоростью звука в кристалле и что от границ кристалла дислокации могут отражаться, меняя знак на обратный, т. е. при наличии препятствий движению дислокаций, существующих в отдельных местах на плоскости скольжения, число дислокаций может увеличиваться при помощи динамической интерференции. Отсюда единичная дислокации может многократно пересечь кристалл, производя каждый раз единичный сдвиг; когда семейство дислокаций достигает поверхности зерна, происходит образование видимой линии скольжения.
Под действием напряжений дислокации приходят в движение; некоторые из них выходят на поверхность кристаллов, другие тормозятся препятствиями.
Степень развития скольжения дислокаций можно описать вектором (вектор Бюргерса), который обозначает направление и расстояние, на которое атомы сместились над плоскостью скольжения по отношению к атомам, находящимся под этой плоскостью. Этот вектор определяет природу дислокаций и является ее наиболее важной характеристикой. Единичная дислокация может дать малое количество линий скольжения. В реальных условиях в пластической деформации кристаллов должны участвовать перемещения многих дислокаций.
Плотность дислокаций р определяется соотношением
(2-8)
где S — общая длина всех линий дислокаций; A— площадь плоскости скольжения; L — толщина кристалла в направлении нормали к плоскости скольжения.
Следует отметить, что большинство дислокаций являются растянутыми, так что существуют дефекты упаковки, вакансии и дислоцированные атомы. Характер ползучести при наличии таких дефектов зависит от уровня приложенного напряжения и рабочей температуры.
Точечные нарушения кристаллической решетки, т. е. не заполненные атомами места в узлах решетки, называются вакансиями. Подвижность вакансий аналогична подвижности атомов внедрения. Вакансии, как и дислокации, могут влиять на механические свойства металла.
На стадии неустановившейся ползучести имеет место деформационное упрочнение, о чем свидетельствует уменьшение скорости ползучести.
При низких температурах ползучесть описывается функцией, близкой к логарифмической. Скорость ползучести в этом случае должна непрерывно уменьшаться. Стадия неустановившейся ползучести при высоких температурах определяется напряжением, температурой и структурой металла.
Стадию установившейся ползучести можно рассматривать как конечный этап неустановившейся ползучести, когда скорость упрочнения становится равной скорости разупрочнения. Установить границу между стадиями установившейся и неустановившейся ползучести трудно. Стадию установившейся ползучести нужно рассматривать как равновесное состояние, подготовленное процессами неустановившейся ползучести.
В соответствии с теорией установившейся ползучести скорость ползучести определяет процесс переползания дислокаций с одной плоскости скольжения на другую. Напряжение, необходимое для перемещения одной дислокации относительно другой, лежащей в параллельной плоскости, составляет:
(2-91
где G — модуль сдвига; b — вектор Бюргерса дислокаций (вклад каждого элемента в общую деформацию); п—число дислокаций; v — константа Грюнайзена.
Стадия ползучести, предшествующая разрушению, связана с образованием трещин и ростом пустот на границах зерен, При высоких температурах пустоты могут образовываться вследствие диффузии вакансий в зародыши пустот, образующихся либо на границах зерен, либо на участках, где произошел некоторый разрыв сплошности, например на стыке зерен или в местах выхода полос скольжения на границы зерен, или вблизи включений.
На основании теории зарождения пор радиус критического зародыша пустоты должен удовлетворять уравнению
(2-13)
где
Е — модуль упругости; С концентрация вакансий; С0 — равновесная концентрация вакансий; k — постоянная Больцмана. Согласно расчетам зародыши пор, способные к росту, должны иметь диаметр около 10-4 см. Для высокопрочных металлов А имеет значение порядка 3,4· 1011 см.
Значительное влияние на процесс пластической деформации оказывают появление и накопление точечные дефектов. Точечные дефекты могут образовываться при движении дислокаций. Границы зерен могут действовать как источники и ловушки вакансий, поэтому на скорость ползучести будет влиять размер зерен.
Одновременное действие высоких температур и приложенных напряжений может вызвать направленный диффузионный перенос атомов, который приводит к медленному удлинению испытываемого образца. Непрерывная деформация, осуществляемая направленным перемещением отдельных атомов, называется диффузионной ползучестью и изучена Я. И. Френкелем.
Скорость диффузионной ползучести ε составляет:
(2-14А)
или
(2-1Б)
где d — линейный размер зерен; D — коэффициент само- диффузии; х — касательное напряжение; L/2 — средняя длина пути диффузии.
При изучении связи между скоростью ползучести в временем до разрушения исследователи пришли к выводу, что произведение εtρ имеет с точностью до 30% постоянное значение.
