Вопрос №2 – Механизмы пластической деформации (дислокации)

Механизм пластической деформации: скольжение и двойникование. Роль дислокаций в процессе пластической деформации скольжением.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу минимально. В металлах с ГЦК решеткой скольжение протекает по 4-м плоскостям типа (111) и в направлениях диагонали куба [110] (всего 3 направления и 12 систем скольжения). В ОЦК металлах – по 6 плоскостям типа (110) и в направлениях типа [111], всего 12 систем скольжения. В кристаллах с ГПУ решеткой скольжение идет по плоскостям базиса, всего 3 системы скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, т. к. скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с ГПУ решеткой менее пластичны, труднее поддаются прокатке, штамповке.

Процесс скольжения нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой синхронный сдвиг требует очень больших напряжений. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис.2).

А – схема движения дислокации; б - краевая дислокация в кристаллической структуре; в– дислокация перемещена на два межатомных расстояния в решетке под влиянием приложенного напряжения; г– выход дислокации на поверхность и появление сдвига.

 

Рисунок 2 – Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла

 

Движение дислокаций в процессе деформаций вызывает появление большого количества новых дислокаций. Один из механизмов зарождения новых дислокаций – источник Франка – Рида (рис.3).

Рисунок 3 – Схема последовательных стадий работ дислокационного источника Франка – Рида

 

Процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. С ростом числа дислокаций они располагаются в разных плоскостях и мешают друг другу перемещаться. На этом основаны способы упрочнения металлов путем механического наклепа.

За счет движения и размножения дислокаций происходит пластическая деформация всех реальных металлических материалов: как монокристаллов, так и поликристаллов, за исключением монокристаллов, не содержащих дислокаций в исходном состоянии — так называемых «нитевидных усов». Для того, чтобы в твердых кристаллах началась деформация, необходимо, прежде всего, чтобы в них зародились дислокации. Поэтому вплоть до очень высоких значений напряжений (в «усах» чистого железа, примерно, до 10000—13000 МП а) деформация осуществляется упруго. После того же, как дислокации зародились, на их движение и размножение, приводящее к пластической деформации, требуются напряжения такие же, как в обычных монокристаллах (в железе ~ 10 МПа). Рассмотренный механизм протекания пластической деформации в нитевидных монокристаллах («усах») помогает понять, почему для них на
диаграммах деформации ((рис. 4) наблюдается огромный пик.

 

1 – [111]; 2 – произвольная ориентация.

Рисунок 4 – Диаграммы напряжение — деформация для нитевидных монокристаллов различных ориентировок

 

В поликристаллических материалах реализуются те же механизмы пластической деформации, что и рассмотренные для монокристаллов, с той лишь разницей, что в монокристаллах при приложении нагрузки весь объем находился в однородном напряженном состоянии, а в поликристалле разные зерна находятся в различных напряженных состояниях. В разных зернах может работать разное число систем скольжения, поэтому деформация в различно ориентированных зернах неоднородна. Кроме того, в поликристаллах сдвиг одного зерна в другое передается через границу и осуществляется неодинаково в разных зернах. Даже в пределах одного зерна деформация неоднородна из-за скольжения дислокаций у границ.

Если разориентировка соседних зерен мала, то скольжение дислокаций относительно легко переходит из одного зерна в другое. Если же разориентировка зерен велика, то переход дислокаций из одного зерна в другое затруднен, деформация сосредоточена у границ зерен.

В поликристаллических материалах меньшее число дислокаций выходит на поверхность образца по сравнению с монокристаллами и большее их число тормозится в объеме. Поэтому в поликристаллических материалах прочностные характеристики более высокие, а пластические— более низкие, чем в монокристаллах и сильно зависят от размеров зерна.

Двойникование – способ пластической деформации, характерный для металлов, имеющих плотноупакованные решетки (К12, Г12). Заключается в переориентации части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости двойникования (рис.5). Двойникование сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. В металлах с ОЦК и ГЦК решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформации и низких температурах.

Упрочнение как результат торможения дислокаций. Упрочнение металлов осуществляется за счет увеличения полезной плотности дислокаций путем механического наклепа (явление, при котором с увеличением степени холодной деформации ниже 0,15-0,2 Т_пл. свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_В, σ_Т, HRB и др.), понижаются, а пластичность уменьшается. При наклепе увеличивается количество дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), при этом затрудняется движение дислокаций.

а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г – напряжение, обуславливающее появление сдвига; д – образование двойника.

 

Рисунок 5 – Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига

Измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и легирование создают несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствующие свободному передвижению дислокаций. За счет термической обработки создают структуры с упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение, которые также препятствуют свободному передвижению дислокаций.

Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.