3. Общие принципы влияния напряженно-деформированного состояния на тип текстуры деформации

Количество факторов, определяющих тип текстуры, фор­мирующейся в данном теле при наложении на него внешнего силового поля, будет различным в зависимо­сти от того, как ведет себя это тело по отношению к си­ловому полю — как сплошная изотропная среда (конти­нуум) или как среда, в которой возможны только опре­деленные дискретные перемещения (дисконтинуум). Примером последнего является текстурирование кристал­лических тел при пластической деформации, которая ре­ализуется движением дислокации по определенным кри­сталлографическим плоскостям и направлениям.

Общим для всех случаев является то, что симметрия, характерная для данной текстуры, определяется симмет­рией внешнего поля. Если внешнее воздействие имеет сложный характер и представляет собой совокупность нескольких элементарных воздействий с разной симмет­рией, то симметрия среды, возникшая в результате такого воздействия, определяется, исходя из принципа суперпозии групп симметрии, впервые предложенного Кюри.

Под группой симметрии (по терминологии, принятой в кристаллографии, — точечной группой) понимают со­вокупность минимального числа элементов симметрии, характеризующих данный класс симметрии.

Перед тем как пояснить это примером, напомним символы, с помощью которых обозначаются наиболее важные элементы симметрии. Цифры 1, 2, 3, 4, 6 и сим­вол бесконечности ∞ означают оси симметрии. При этом номер оси (число) показывает, сколько раз за один пол­ный оборот вокруг данной оси симметрии возникает со­стояние, совпадающее с исходным (до вращения). Те же цифры, но с черточками над ними указывают на зер­кально поворотные оси. Буквой m обозначают плоскость симметрии. Точка между символами элементов симмет­рии означает параллельность последних, двоеточие — перпендикулярность, косой штрих — наклон их друг к другу. В символ группы симметрии (точечной группы) входит только минимальное число элементов симметрии, достаточное для обозначения соответствующего класса симметрии. Так, симметрия сдвоенного конуса обознача­ется символом ∞: m, хотя, кроме оси ∞-го порядка и перпендикулярной ей плоскости симметрии, фигура вклю­чает еще и центр симметрии.

Наиболее распространенными ориентирующими ви­дами внешнего воздействия на материалы являются ме­ханические воздействия, а также воздействие электри­ческим и магнитным полями.

Как показал еще П. Кюри, симметрия электричес­кого поля описывается группой ∞•m (геометрический аналог — покоящийся конус), а магнитного поля ∞:m (вращающийся цилиндр). Поля механических напряже­ний, создаваемых при наиболее распространённых видах обработки давлением (прокатка, прессование, волочение, штамповка), описываются в общем случае симметрич­ным тензором 2-го ранга. По своей симметрии они мо­гут быть отнесены к одной из трех следующих групп: ∞/∞•m; m•∞; m и m•2:m. Поля напряжений, возника­ющие в случае одноосной деформации (прессованием, волочением и т.п.), принадлежат к симметрии m•∞:m, при этом одно или несколько кристаллографических на­правлений ориентируются вдоль осей сжатия или растяжения (аксиальные текстуры). Поля напряжений при прокатке приводят к симметрии m•2:m, т.е. в этом слу­чае определенные кристаллографические плоскости сов­падают с плоскостью прокатки, а кристаллографические направления — с направлением прокатки.

Деформация кручением приводит к текстуре ∞:2.

Принцип суперпозиции групп симметрии можно про­иллюстрировать следующими примерами:

а) прессование деталей из феррита бария, имеюще­го гексагональную решетку (симметрия механического воздействия m•∞:m), ведется с наложением магнитного поля, направленного вдоль оси прессования (симметрия ∞:m). В результате такого сложного воздействия суперпозия групп симметрии приводит к тому, что плос­кость базиса {0001} устанавливается параллельно оси прессования;

б) если из прокатанного листа (симметрия m•2:m) вырезать узкие пластинки, произвольно ориентирован­ные относительно оси второго порядка (2), и затем эти пластинки подвергнуть волочению, то симметрия в по­лученных проволочных образцах будет равна 2:m. По­следующая деформация кручением этих проволочек сни­зит симметрию до одной оси 2.

Однако симметрия текстуры при всей ее важности — только первая, самая общая ее характеристика. Совер­шенно очевидно, что одной и той же симметрией тек­стуры может обладать бесконечное множество конкрет­ных текстур, причем не только многокомпонентных, но и однокомпонентных. Это хорошо видно из полюсных фигур прокатанных металлов, приведенных на рис. 162, 163. Все они удовлетворяют симметрии m•2:m, хотя конкретные типы текстур у них совершенно различны.

Реально это обусловлено различием в типе и числе действующих систем скольжения при данных условиях внешнего воздействия, т. е. связано с дискретным харак­тером возможных атомных перемещений в данном теле, вследствие которого оно ведет себя как дисконтинуум. Это поведение в свою очередь зависит от большого чис­ла факторов, в том числе типа решетки, энергии дефек­тов упаковки, фазового состава, ориентировки внешних сил относительно систем скольжения и др.

Таким образом, необходимо отдавать себе отчет в ограниченности симметрийного анализа текстур. Он да­ет информацию только о симметрии текстуры, в том числе и многокомпонентной, но не указывает на конкрет­ный тип текстур, а следовательно, и конкретные угловые соотношения, характеризующие данную анизотропию, как в кристаллографическом отношении, так и в отно­шении анизотропии свойств, не дает сведений и о доле разных текстурных компонент и т. д.

Вместе с тем симметрия воздействия, несомненно, определяет, если можно так выразиться, макроскопичес­кую анизотропию свойств и структуры, что весьма важно.

Схема напряженно-деформированного состояния от­ветственна за изменение формы образца независимо от конкретного кристаллического строения материала.

При деформации поликристаллов отдельные кристал­литы подвергаются такому же формоизменению, как и весь образец в целом. Кристаллическое строение дефор­мированного вещества проявляется в том, что наряду с обоснованным изменением его внешней формы законо­мерно изменяется ориентировка кристаллической решет­ки. Это изменение связано с симметрией напряженно-деформированного состояния и, в конечном итоге, при­водит к тому, что параллельно направлению внешних деформирующих сил устанавливается определенная кри­сталлографическая плоскость и (или) кристаллографи­ческое направление.

В гл. II отмечалось, что кристаллографическое на­правление сдвига при растяжении монокристаллов по­ворачивается по мере увеличения степени деформации в направлении к оси растяжения до совпадения с ней (при больших степенях деформации), а при сжатии — до совпадения с плоскостью, нормальной к направлению сжатия. Существенно, что после того, как определяется конечная устойчивая ориентация, она не изменяется под влиянием дальнейшей деформации.

Направлением сдвига является одно из направлений скольжения, входящих в свойственные данному типу кри­сталлической решетки системы скольжения.

Покажем роль типа решетки и симметрии напряжен­но-деформированного состояния на формирование неко­торых текстур.

Аксиальная текстура. Основной системой скольже­ния в о.ц.к. металлах является система {110} <111>. В любой из плоскостей типа {110} имеется по два рав­ноправных направления из семейства <111> (рис. 166), которые являются направлениями сдвига в о.ц.к. решетках. В силу симметрии напряженно-деформированно­го состояния скольжение по этим двум направлениям, например [111] и [111] на рис. 166, эквивалентно сколь­жению в направлении их равнодействующей. Поэтому оба указанных направления должны в состоянии устой­чивой ориентации расположиться симметрично относи­тельно оси проволоки (направления внешней деформиру­ющей силы). Это требование будет удовлетворено, если вдоль направления оси проволоки расположится одно из двух кристаллографических направлений типа <100> или типа <110>. Для случая, показанного на рис. 166, это [001] и [110]. Практически реализуется направление <110>, так как угол между ним и направлением <111> (угол на рис. 166) меньше, чем между <100> и <111> (угол ).

Рис. 166. Схема, поясняющая уста, новлсние направления <110> парал­лельно оси аксиальной текстуры во­лочения у металлов с о.ц.к. решет­кой

Рис. 167. Схема, поясняющая уста­новление направления <111> па­раллельно оси аксиальной текстуры у металлов с г.ц.к. решеткой

Аналогично в г. ц. к. металлах, где система скольже­ния {111} <110>, три направления скольжения типа <110> расположены симметрично относительно на­правления типа <111>, как показано на рис. 167. Равнодействующей при скольжении вдоль этих трех на­правлений будет направление типа <111>, которое и должно устанавливаться вдоль проволоки.

При определенных условиях в г.ц.к. металлах мо­жет образоваться и аксиальная текстура <100>.

Текстура прокатки. Сложную деформацию прокат­кой можно представить условно как наложение двух простых схем — растяжения вдоль оси прокатки и сжа­тия в направлении, перпендикулярном поверхности об­разца.

В скольжении при сжатии вследствие симметрии ку­бической решетки участвуют пары равноправных взаим­но перпендикулярных плоскостей из семейства {11О}. Скольжение каждой из этих плоскостей, может идти вдоль двух направлений типа <111>, результирующим для которых является направление <100>.

Для пары равноправных плоскостей типа {110} скольжение идет вдоль взаимно перпендикулярных на­правлений <100>. Но это значит, что скольжение дол­жно идти по плоскости, содержащей два направления из семейства <100> и одно из <110>. Таким требова­ниям удовлетворяет плоскость типа {100}, которая и должна располагаться перпендикулярно направлению сжатия.

Приведенные условия должны способствовать уста­новлению при прокатке стабильной текстуры {001} <110>, которая наблюдается в металлах с о.ц.к. ре­шеткой.

В работах Б. В. Молотилова с сотр. систематически проверялось, как изменяется при прокатке ориентировка монокристаллов Fe+3,5%Si, имевших до прокатки раз­личную исходную ориентировку. Оказалось, что единст­венной исходной ориентировкой, не изменяющейся при деформации, является {001} <011>. В нее же при прокатке переходят и многие кристаллы с иной исход­ной ориентировкой.

Ясно, что переход от данной исходной ориентировки к конечной (стабильной) происходит через ряд проме­жуточных положений. Характер и последовательность этого перехода зависят, кроме типа решетки, от исход­ной ориентировки и схемы напряженно-деформирован­ного состояния. Как следует из данных, приведенных в гл. II, от этих факторов зависят последовательность включения в процесс пластической деформации различ­ных систем скольжения и, как следствие этого, пере­ориентировка.

Как показали многочисленные исследования, для за­метной переориентировки решетки должно действовать несколько систем скольжения. На рис. 168, взятом из ра­боты Боаса и Шмида, показано изменение кристаллогра­фического направления, располагающегося вдоль оси растяжения (сжатия) в ходе деформации г.ц.к. метал­лов. В зависимости от исходной ориентировки можно выделить четыре области, в которых действуют разные системы скольжения. В зависимости от исходной ориен­тировки при растяжении получаются конечные ориен­тировки <111> (области а и с) или <100> (области b и d).

При сжатии (ориентировки меняются в направлении, обратном показанному стрелками) конечной ориентировкой для всех исходных ориентировок является направление <110>.

Рис. 168. Изменение кристаллографичес­кого направления, располагающегося вдоль оси растяжения в ходе дефор­мации г. ц. к. металлов (схема)

Пластическая дефор­мация поликристаллов вносит дополнительные весьма осложняющие факторы.

Во-первых, они связа­ны с тем, что из-за раз­личной исходной ориентировки кристаллитов число и тип действую­щих систем скольжения и соответственно последо­вательность переориенти­ровки происходят в них по разному. Уже только вследствие этого в ходе деформации всегда существует многокомпонентная текстура, число компонентов в которой при значительных степенях деформации на­чинает заметно уменьшаться.

Картина несколько меняется, если металл в исходном (до данной деформации) состоянии текстурован.

Во-вторых, осложняющим обстоятельством является наличие границ зерен. Усложнение условий деформации и дислокационной структуры, связанное с границами, рассмотрено в гл. II. Здесь лишь отметим, что пригра­ничные области из-за большей турбулентности скольже­ния, как правило, характеризуются иными ориентиров­ками, чем внутренние объемы кристаллитов, и боль­шим рассеянием текстуры по сравнению с тем, которая диктуется схемой напряженно-деформированного состо­яния.