Упругая и пластическая деформация

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних воздействий. Механическое напряжение – мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле и действующих на единицу площади поперечного сечения под влиянием внешних воздействий. Единица измерения – паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м², 1 кгс/мм² = 10 МПа.

При упругой деформации происходят небольшие смещения атомов из положения равновесия (рис. 3.1, а). Баланс кулоновских сил притяжения и отталкивания между ними нарушается. При снятии нагрузкисмещенные атомы под действием кулоновских сил возвращаются в исходное положение, деформация исчезает.

С ростом нагрузки начинается пластическая деформация, которая осуществляется скольжением и двойникованием (рис. 3.1, б, в) и остается после снятия нагрузки.

Деформация скольжением. Пластическая деформация происходит под действием касательных напряжений, вызывающих скольжение атомарных плоскостей друг относительно друга – деформация сдвига. Отдельные зерна металла под действием силы Р расслаиваются на пачки скольжения, которые смещаются друг относительно друга (рис. 3.2). Это приводит к вытягиванию зерен в волокна.

Процесс не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Синхронный сдвиг требует напряжений, которые во много раз превышают те, при которых в действительности протекает деформация.

Скольжение осуществляется в результате перемещения дислокаций по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов (рис. 3.3) и зависит от кристаллической структуры металла, скорости приложения нагрузки, температуры. При приложении напряжения дислокация перемещается вследствие разрыва старых межатомных связей и установления новых (рис. 3.3, б,в), затем разрываются новые связи и т. д. Дислокация выходит на край кристалла, образуется ступенька. За счет элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг на величину межатомного расстояния. Скольжение одной атомной плоскости относительно другой происходит таким образом, что атомные слои не отделяются друг от друга (иначе кристалл бы разрушился), т. е. атомы в плоскости скольжения перемещаются на целое число трансляций.

Дислокации не обрываются внутри кристалла, а прерываются на других дислокациях или границах зерен. Направления скольжения совпадают с направлениями наиболее плотного расположения атомов. Плоскости и направления скольжения образуют систему скольжения.

В металлах с ГЦК решеткой (Fe_g, Сu, Al, Ni, Ag) 4 плоскости скольжения (111) с 3 направлениями скольжения вдоль диагоналей граней [110] образуют 12 систем скольжения (рис. 3.4, а).

В металлах с ОЦК решеткой (Fe_a, W) плоскости скольжения (110), (112), (123) и направления скольжения вдоль пространственных диагоналей [111] образуют 48 систем скольжения (рис. 3.4, б). При деформации металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

В металлах с ГПУ решеткой при c/a ³ 1,63 (Mg, Zn) скольжение происходит по плоскости базиса (0001) и трем направлениям скольжения (рис. 3.4, в). Эти металлы менее пластичны и труднее, чем металлы с кубической решеткой, поддаются прокатке, штамповке. В металлах при c/a £ 1,63 (Zr, Ti) скольжение происходит по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям. Эти металлы более пластичные, чем магний и цинк.

Деформация двойникованием проявляется тогда, когда деформация скольжением затруднена. Этому способствует низкая температура и ударное нагружение. При двойниковании сдвиг происходит в ограниченном объеме на определенную величину, одна часть кристалла становится в положение, симметричное относительно другой. Легче всего двойникование идет в металлах с ГПУ решеткой, труднее – в металлах с ОЦК решеткой и труднее всего – в металлах с ГЦК решеткой.

Двойникование не приводит к значительной пластической деформации. Однако появляются дополнительные очаги деформации скольжения. Сочетанием двойникования и сдвига объясняется высокая пластичность меди, аустенита, серебра, a-латуни, цинка, магния и др.

Источник Франка-Рида. В процесс пластической деформации вовлекается большое число дислокаций. За исключением закрепленных дислокаций, которые не движутся, остальные дислокации должны были бы мигрировать к поверхности, оставляя за собой кристалл без дислокаций. Однако этого не происходит. Необходимое число дислокаций возникает из источника внутри кристалла.

В 1950 г. Франк и Рид предложили механизм, объясняющий непрерывное развитие дислокационных линий и петель и прохождение их через плоскость скольжения. Краевая дислокация расположена в плоскости скольжения (плоскости рисунка) и закреплена в точках А и В другими дислокациями или примесными атомами (рис. 3.5, а). Под действием напряжения дислокация выгибается и принимает форму полусферы. При уменьшении приложенного напряжения сила натяжения будет упруго выпрямлять дугу. При дальнейшем приложении напряжения, которое может быть меньше критического, дислокационная петля самопроизвольно расширяется (рис. 3.5, в). Поскольку петля остается закрепленной, то оназакручивается вокруг точек А и В в виде двух симметричных спиралей. На этой стадии возникают участки винтовой дислокации противоположного знака. В месте соприкосновения спиралей винтовые дислокации разного знака встречаются и взаимно уничтожаются. Оставшиеся линии, являясь краевыми дислокациями, уменьшают свою энергию, соединяясь вместе (см. рис. 3.5, д). Это приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и новой дислокации, занимающей исходную пози цию.Внешняя петля разрастается до поверхности кристалла (зерна), что приводит к элементарному сдвигу, новая дислокация снова выгибается. Из одного источника образуются сотни дислокаций. Суммарный эффект образования множества петель при их выходе на свободную поверхность проявляется в виде образования линий скольжения на грани кристалла (рис. 3.6).

Рассмотренный источник Франка-Рида генерирует дислокационные петли в одной атомной плоскости, пространственный источник– в разных плоскостях. Из рентгеновских исследований дислокаций в слабодеформированных кристаллах германия оценено количество источников дислокаций: 10² и 10³ см^-3.