2.2. Механизмы пластической деформации

Экспериментально установлено, что для монокристаллов существует три механизма пластической деформации - это сдвиг, скольжение и двойникование.

Для тел с кристаллической решеткой нормальные напряжения не приводят к пластическим деформациям, а вызывают лишь упругое изменение размеров и объема тела. Под действием касательных напряжений все атомы, лежащие в плоскости скольжения смещаются на расстояние равное параметру решетки . При этом, в силу периодичности кристаллической решетки касательное напряжение

,

где - модуль сдвига..

Пластическая деформация осуществляется тогда, когда касательные напряжения достигают критического значения . Происходит путем скольжения, т.е. сдвига одной части кристалла относительно другой в плоскостях наиболее плотной упаковки атомами. Сдвиг на растянутом образце просматривается в виде ступенек на поверхности, образуя линии Чернова – Людерса, рис.2.2

Наряду со скольжением деформация происходит путем двойникования. В этом случае часть кристалла переходит в положение симметричное относительно другой части кристалла. Деформация при повышенных скоростях и низких температурах может осуществляться двойникованием. Этот механизм пластической деформации сопровождается характерным потрескиванием. Двойникование имеет дислокационное происхождение.

Рис.2.2. Выход сдвигов на поверхность растянутого образца

На механизм пластической деформации большое влияние оказывают дефекты кристаллической решетки, которые появляются в процессе кристаллизации и пластической деформации. Известно четыре вида дефектов кристаллической решетки: точечные, линейные, двумерные и трехмерные. К точечным дефектам относятся вакансии и межузельный атом. Вакансии очень подвижны. Линейные дефекты – дислокации введены в рассмотрение связи с устранением противоречий между теоретическими расчетами и экспериментальными данными, относящимися к скольжению в кристаллах. В последствии экспериментально доказано их существование. Различают краевую, винтовую дислокации и смешанную.

Краевая дислокация – это дефект, связанный со смещением атомов из регулярного положения, в связи с присутствием вакансии, рис.2.3. С краевой дислокацией связаны такие понятия, как экстраплоскость, линия дислокации, ядро дислокации, вектор Бюргерса. Последний, соответствует разрыву решетки в дефектном кристалле. Экстраплоскость определяется положением дефекта в кристалле, которая проходит с одного края через атомы решетки, граничащие с данным дефектом («лишняя» плоскость атомов). Линия дислокации, линия атомов, граничащая с дефектами

Рис.2.3. Модели линейных дефектов:

- краевая дислокация ( - экстраплоскость, - линия дислокации, - ядро дислокации, - параметр решетки; - плоскость скольжения); б – винтовая дислокация ( - вектор Бюргерса)

решетки, являющаяся границей экстраплоскости. Движение дислокаций происходит перпендикулярно экстраплоскости, в плоскости скольжения, а сам процесс движения дислокации называется скольжением.

Винтовая дислокация – это дефект, связанный с искривлением части кристаллической плоскости, когда разрыв решетки образует виток винтовой линии, рис.2.3. В этом случае экстраплоскость отсутствует. Направление движения винтовой дислокации называется поперечным скольжением.

В реальных условиях дислокации являются смешанными. Двумерные и трехмерные дефекты способствуют образованию и движению точечных и линейных дефектов, т.е. скоплению дислокаций.

При достижении касательного напряжения критического значения , начинается движение дислокации. Этот процесс может многократно повторяться, пока экстраплоскость не выйдет на поверхность в виде ступеньки. Если в теле присутствуют несколько дислокаций разных знаков, то при встречном движении происходит их взаимное уничтожение и процесс перемещения дислокаций прекращается. Бездислакационные монокристаллы имеют предел текучести, прочности на несколько порядков выше, чем монокристаллы с наличием дислокаций.

Экспериментально установлено, что в процессе пластической деформации монокристалла плотность дислокаций возрастает. При деформации совершенно бездислокационных монокристаллов в металле появляется большое их количество. Это связано с наличием механизма образования дислокаций, к которым относится источник Франка-Рида. Если в процессе движения дислокаций крайние встречают препятствие (точечные дефекты, дислокации, движущиеся перпендикулярно), то эти участки закрепляются. Центральные зоны продолжают движение, что приводит к их искривлению. Краевые дислокации превращаются в смешанные, начинается поперечное скольжение, рис.2.4, что приводит к образованию петли. После смыкания петли в точке образуется новая дислокация и т.д. Такая линия дислокаций называется источником Франка-Рида.

Рис.2.4. Схема образований дислокаций по механизму Франка-Рида

После рекристаллизации дислокации образуют трехмерные сетки, обладающие устойчивой конфигурацией. Такие сетки определяют в кристаллах ячеистую структуру. Сетки дислокаций делят монокристалл на бездислокционные зоны, развернутые друг относительно друга на небольшие углы. Эти особенности строения монокристаллов определяют как субструктуру.

Технические металлы и сплавы, используемые для обработки металлов давлением, - это поликристаллы. Их можно представить, как совокупность большого количества монокристаллов (зерен). Каждое зерно может деформироваться скольжением или двойникованием. Эти механизмы называются внутрикристаллитной деформацией. Кроме этого поликристалл, может подвергаться и межкристаллитной деформации. Возможны варианты, когда кристаллик изменяет свое положение относительно других, но не подвергается пластической деформации. Это возможно за счет подвижности межзеренных прослоек и межкристаллитной деформации. В общем случае, внутрикристаллическая и межкристаллитная деформации протекают одновременно. Выход дислокации на поверхность зерна образует ступеньку, которая, создавая концентрацию напряжений, вызывает в соседнем зерне пластическую деформацию. Для поликристаллов присущ еще один механизм деформации - механизм межзеренного проскальзывания. Он характерен для горячей деформации, . Этот процесс реализуется одновременно с движением дислокаций внутри зерен.

В результате действия пластической деформации создается направленное перемещение атомов примеси в направлении градиента напряжений. Это явление называется диффузионной пластичностью.

Кроме этого при деформации изменяется структура металла. Изменяется не только форма , но и положение зерен в пространстве. Происходит поворот кристаллитов и удлинение. Появляется волокнистая структура при обжатии . При деформации зерна получают преимущественную ориентировку, что приводит к образованию текстурированной структуры.