Механизмы и процессы пластической деформации

Рассмотрим вначале низкотемпературные механизмы пластической деформации, т. е. механизмы, действующие при температурах не более одной трети температуры плавления. При высокой температуре на их место приходят механизмы и процессы деформации. связанные с диффузией, которая экспоненциально зависит от температуры.

Пластическая деформация при низкой температуре. В этой области температур в основном происходят процессы скольжения, двойникования, образования полос излома и раскалывания по плоскостям спайности.

Дислокационное скольжение создает макроскопический сдвиг (рис. 4.10). Для осуществления однородной и непрерывной деформации кристаллического агрегата каждое зерно должно обладать пятью степенями свободы, т. е. пятью независимыми системами скольжения (критерий фон Мизеса). В отличие от обычных металлов главные породообразующие минералы вследствие низкой симметрии имеют менее пяти систем скольжения. Следовательно, при низкой температуре их пластическая деформация в кристаллическом агрегате не может быть однородной и скольжению должны сопутствовать другие механизмы деформации, такие, как двойникование, образование полос излома и раскалывание по спайности.

Рис. 4.10. Макроскопический сдвиг при скольжении дислокаций: т - напряжение сдвига, ψ - угол сдвига [2]

Процесс двойникования по сравнению с дислокационным скольжением протекает очень быстро. Он реализуется благодаря локальной перегруппировке атомов, требующей более высоких напряжений, чем скольжение. При двойниковании угол поворота структуры фиксирован и меняется ее ориентировка, в то время как при скольжении структура не искажается резко и материальные линии в кристалле плавно вращаются.

Образование полос излома (рис. 4.11, 6) включает существенный изгиб решетки с обеих сторон от плоскости излома, в которой лежит ось вращения. Это приводит к укорочению кристалла и образованию кинкбандов, разделяющих области разной ориентировки решетки. Существует сходство между полосами излома и стенками дислокаций, хотя деформационные плоскости излома сложнее по микроскопическому строению.

Рис. 4.11. Низкотемпературная деформация кристаллов с основным направлением скольжения вдоль оси сжимающего напряжения (стрелки): а - деформация с изгибом; б - деформация с изломами; в и г - деформация с изгибом и кливажом, параллельными доминирующей плоскости скольжения

Кроме того, поворот структуры в полосах излома может достигать нескольких десятков градусов, а в стенках дислокаций он обычно не превышает нескольких градусов. Наконец, определенные кристаллы не могут пластически деформироваться из-за отсутствия выраженных предпочтительных ориентировок в структуре. Концентрация напряжений в кристалле может привести к превышению прочности решетки, что в свою очередь приводит к раскалыванию кристалла вдоль слабо связанных кристаллографических плоскостей, т. е. плоскостей спайности (рис. 4.11, в, г и 3.9), по которым кристалл может полностью разрушиться (хрупкое разрушение). Под действием всестороннего давления, препятствующего раскрытию трещин, и при повышенной температуре эти особые кристаллы могут деформироваться путем частичной или полной рекристаллизации (разд. 7.5.2).

Пластическая деформация при высокой температуре. При высокой температуре быстро активизируется диффузионный перенос и включаются новые механизмы деформации, такие, как переползание дислокаций (рис. 4. 6), диффузия атомов внутри решетки и по поверхностям кристаллов. В результате этого число степеней свободы каждого кристалла возрастает (в смысле определения фон Мизеса) и деформация породы становится все более однородной. Прежде чем подробно рассмотреть эти процессы, остановимся на роли диффузии в процессах возврата.

Упрочнение и возврат. При низкой температуре движению дислокаций по плоскостям скольжения мешают различные препятствия (другие дислокации, примесные атомы, выделяющиеся фазы и границы зерен). Для продолжения деформации необходимо увеличить напряжение - это и есть упрочнение материала (разд. 2.2.2). Увеличение приложенного напряжения генерирует новые дислокации в структуре и позволяет некоторым дислокациям преодолевать препятствия, сдерживающие их скольжение. По наклону кривой на рис. 4.12 определяется коэффициент деформационного упрочнения

Рис. 4.12. Диаграмма напряжение - деформация (ơ - є), показывающая главные типы ползучести при разных температурах

При высокой температуре препятствия движению дислокаций ослабевают благодаря динамической рекристаллизации и возврату. Термин возврат относится к процессам, уменьшающим плотность дислокаций и их блокирующее взаимодействие и, следовательно, увеличивающим скорость скольжения. Краевые дислокации, переползая через препятствия на одной из плоскостей скольжения, встречают на своем пути дислокации противоположного знака на другой параллельной плоскости скольжения и аннигилируют с ними (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Иллюстрация возврата (из состояния (I) в состояние (2)): вверху-аннигиляция дислокаций противоположного знака, скольжение и образование стенок дислокаций, внизу - переползание дислокаций через препятствие

Взаимная аннигиляция винтовых дислокаций может происходить при пересечении соответственно ориентированных плоскостей скольжения или в результате поперечного скольжения дислокаций навстречу друг другу. Эти взаимодействия в отличие от переползания краевых дислокаций не связаны с диффузией и поэтому, вероятно, не контролируют полную скорость возврата. Переползание краевых дислокаций одного знака к стенкам дислокаций приводит к образованию в решетке субзерен, разделенных этими стенками. Это явление, обусловленное переползанием дислокаций, получило название полигонизации.

Дислокационная ползучесть. При высокой температуре противоположные процессы упрочнения и возврата стремятся к динамическому равновесию. Горизонтальный участок на диаграмме (рис. 4.12) указывает на постоянное значение плотности дислокаций. Это установившаяся ползучесть. Данный тип ползучести, называемый также ползучестью Виртмана, связан с переползанием и скольжением дислокаций. Считают, однако, что этот процесс контролируется переползанием дислокаций, так как его скорость меньше, чем скорость скольжения; в предельном случае скорость течения равна скорости переползания дислокаций. Последняя, в свою очередь, контролируется диффузией. В итоге в формуле, описывающей скорость ползучести появляется коэффициент диффузии (разд. 2.2.2)

где А - константа, ơ = ơ₁ — ơ₃, n = 3, D_v - коэффициент диффузии, экспоненциально зависящий от температуры и убывающий с повышением давления.

Диффузионная ползучесть. При очень высокой температуре происходит направленный диффузионный перенос атомов через кристаллическую решетку или по границам зерен. Ползучесть Набарро-Xeринга, подразумевающая (объемную) решеточную диффузию, протекает под действием приложенного к кристаллу напряжения, как это показано на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Ползучесть Набарро-Херинга. При сжатии по вертикали кристалла (пунктир) концентрация вакансий уменьшается на гранях сжатия (С^-) и увеличивается на гранях растяжения (С⁺). Атомы и вакансии перетекают в противоположных направлениях и постепенно изменяют форму кристалла (сплошная линия)

Ползучесть Кобле - процесс, протекающий благодаря диффузии по границам зерен (поверхностная диффузия), по видимому, характерна для течения в некоторых милонитах, в которое включается также и механизм межзернового скольжения (рис. 4.15 и 8.20). Деформация агрегата кристаллов отчасти напоминает скольжение частиц рыхлого песка (рис. 4.26).

Рис. 4.15. Сверхпластическое течение. Скольжение по границам зерен (стрелки), облегчаемое поверхностной диффузией, дает сдвиг ближайших соседних зерен из начального состояния (а) в конечное состояние (в). Событие состоит из смещений соседей 2 и 4 в состоянии (а) и 1 и 3 в состоянии (в). В результате возникает 55%-ная деформация (Ashby, Verrall, 1973, Acta Met., 21, 149)

При поверхностной диффузии препятствия устраняются таким образом, что сцепление кристаллов не затрагивается. Диффузия происходит намного медленнее, чем скольжение по границам зерен, и поэтому контролирует скорость ползучести. Данный тип деформации, свойственный ряду сплавов и тонкозернистым породам, известен как сверхпластичность. Она описывается степенным законом с сильной зависимостью скорости деформации от размера зерен d:

где А’ - константа, ơ = ơ₁ — ơ₃, D_s - коэффициент диффузии по границам зерен. Скорость ползучести здесь линейно зависит от напряжения, и, следовательно, мы имеем дело с ньютоновской вязкостью.

С учетом всех этих условий, и особенно размера зерен, ползучесть контролируется либо движением дислокаций, либо диффузией по границам зерен (рис. 4.16). Если размер зерен меньше d_c, то основным механизмом ползучести будет диффузия (протекающая быстрее при сверхпластическом течении), и наоборот, при размере зерен больше d_c ползучесть осуществляется за счет движения дислокаций.