Пластическое деформирование.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических - необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.

Пластическая деформация в кристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое τ.

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, называемой плоскостью скольжения или сдвига (рис.10,а). Двойникование представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (рис.10,б). Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью двойникования. При двойниковании атомные плоскости кристалла сдвигаются параллельно плоскости двойникования на разные расстояния. Часть кристалла, в которой в результате двоиникования произошла переориентация кристаллической решетки, называют двойником деформации. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение. Роль двойникования возрастает, когда скольжение затруднено. В металлах с ОЦК и ГЦК решетками двойникование наблюдается лишь при низких температурах или высоких скоростях деформирования. При нормальных условиях в металлах с ГП решеткой деформация развивается как двойникованием, так и скольжением.

Рис. 10. Схемы пластической деформации скольжения (а) и

двойникования (б)

Скольжение развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна (рис.11). Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образует систему скольжения. Число систем скольжения неодинаково в металлах с разным типом решеток. У металлов с ГЦК решеткой (Сu, Al, Ni и другие) скольжение идет по плоскостям {111} в направлениях <110>. Четыре плоскости скольжения и три направления скольжения в каждой из них образуют 12 эквивалентных систем скольжения.

Рис. 11. Системы скольжения в металлах с ГЦК (а), ОЦК (б) и ГП (в) решетками; плоскости наиболее легкого скольжения заштрихованы:

1 - (112); 2 - (123); 3 - плоскость базиса; 4 - пирамидальная плоскость скольжения; 5 - призматическая плоскость скольжения

В металлах с ОЦК решеткой скольжение развивается по плоскостям {110}, {112} и {123} в направлениях <111>. Число систем скольжения в этом случае составляет 48.

У металлов с ГП решеткой при с/а>1,63 (Mg, Zn) скольжение развивается по плоскости базиса, в которой находятся три эквивалентных направления. Эти металлы менее пластичны, чем металлы с ОЦК и ГЦК решетками. Число систем скольжения может возрасти, если уменьшаются критические напряжения сдвига в других плоскостях.

Увеличение количества систем скольжения сопровождается повышением способности металла к пластическому деформированию. В частности, при с/а<1,63 у циркония и титана скольжение идет по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям, так как значения критических напряжений сдвига в них близки. Поэтому эти металлы более пластичны, чем магний или цинк, у которых скольжение идет только по плоскостям базиса.

Элементарный акт сдвига - это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние (рис.12). В идеальном кристалле в скольжении должны одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Для такого синхронного “жесткого” сдвига требуется критическое касательное напряжение τ_кр=G/2π≈0,16G (G - модуль упругости при сдвиге). Величину τ_кр называют теоретической прочностью кристалла. В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуются напряжения около 10^-4G, что в 1000 раз меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурным несовершенством.

Рис. 12. Схема перемещения атомов при скольжении краевой дислокации:

А - • - А - плоскость скольжения; светлые точки - исходное положение атомов; темные точки - положение атомов после сдвига дислокации на одно межатомное расстояние

Пластическое деформирование в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Дислокация легко движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее вектор Бюргерса.

Перемещение краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние представляет собой согласованную перегруппировку атомов около дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дислокационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоскости. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислокации, облегчающих разрыв старых и образование новых межатомных связей. Как показано на рис.12, при вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на две части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, другая – “принимает” дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса - одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь появится ступенька, равная вектору Бюргерса. Так как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.

Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на различном расстоянии одна от другой. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.