Механизм упругой и пластической деформации.

При упругой деформации атомы материала смещаются на небольшие расстояния относительно друг друга. При этом возникают межатомные силы притяжения или отталкивания, в зависимости от того сближаются или удаляются атомы. После снятия внешней нагрузки атомы материала под действием этих сил возвращаются в своё исходное, равновесное положение. В результате размеры и форма образца полностью восстанавливаются, то есть деформация оказывается обратимой.

При пластической деформации происходит сдвиг одной части материала относительно другой части. Сдвиг осуществляется по атомным плоскостям, которые называют плоскостями скольжения.

После снятия внешней нагрузки, сдвинутые атомные плоскости в исходное положение не возвращаются, поэтому пластическая деформация является необратимой. Обычно в роли плоскостей скольжения выступают наиболее плотноупакованные атомные плоскости слабо связанные друг с другом межатомными силами.

В первую очередь сдвиг происходит по плоскостям скольжения, расположенным под углом 45 градусов к внешней нагрузке, так как в этих плоскостях создаётся наибольшее сдвиговое напряжениеs_T :

S0

α

F

Fn

s_T = max, при a = 45⁰

В следующий момент в движение вовлекаются другие плоскости, расположенные под углом больше и меньше 45 градусов (46, 44; - 47, 43 и т.д.)

Теоретические расчеты показывают, что для сдвига одной части металла относительно другой части требуются напряжения, в сотни раз превосходящие те, которое наблюдаются в действительности. Причина столь сильного отличия теоретической прочности металлов от их реальной прочности заключается в том, что атомные слои при пластической деформации смещаются не сразу целиком, а поэтапно, т.е. атомными рядами. Для реализации такого механизма смещения необходимо отсутствие хотя бы одного атомного ряда в плоскости скольжения. В реальных металлах подобные дефекты структуры всегда присутствуют и в большом количестве, это дислокации. Благодаря дислокациям сдвиг атомных слоёв происходит при гораздо меньших напряжениях.

Схема дислокационного механизма сдвига атомных слоёв следующая:

Как видно из рисунка смещение атомной плоскости можно рассматривать как движение дислокации в обратном направлении. При выходе дислокации на поверхность кристалла образуется своеобразная «ступенька» и таким образом реализуется сдвиг одной части кристалла относительно другой его части.

Чем легче перемещаются дислокации, тем меньше напряжения, при которых осуществляется сдвиг атомных слоёв, и следовательно пластическая деформация. Прочность бездефектных кристаллов, так называемых «усов», близка к теоретической.

С увеличением плотности дислокаций прочность материалов сначала уменьшается, а затем начинает плавно возрастать.

Отожженные металлы

Усы

s, МПа

r, см-2

Возрастание прочности металлов с повышением плотности дефектов обусловлено ограничением подвижности дислокаций из-за резкого увеличения интенсивности их взаимодействия.