Дислокационный механизм пластической деформации. 
Наклеп и рекристаллизация

Дислокационный механизм пластической деформации

В отдельном кристалле металла (монокристалле) пластическая деформация осуществляется под действием касательных напряжений путем сдвига одной части кристалла относительно другой. Этот пластический сдвиг может произойти при превышении критического значения касательными напряжениями. Различают две разновидности сдвига: скольжением и двойникованием.

Скольжение является основным видом сдвига в металлах под действием внешних сил. В кристаллической решетке сдвиги происходят по направлениям и плоскостям скольжения с наибольшей плотностью упаковки атомов. В плоскостях скольжения критическое значение касательного напряжения оказывается наименьшим. Это объясняется тем, что перемещение атомов из одного устойчивого положения в другое в этих плоскостях минимально. Количество направлений и плоскостей скольжения зависит от типа кристаллической решетки. Количество плоскостей скольжения, умноженное на количество направлений, равно количеству элементов (или систем) сдвига. Чем больше элементов сдвига, тем более способен металл к пластической деформации. Например, металлы с ГПУ-решеткой (Zn, Mg и др.) имеют меньшее количество элементов сдвига, чем металлы с решетками ОЦК (Mo, W и др.) и ГЦК (Си, А1 и др.). Поэтому металлы с решетками ОЦК и ГЦК более пластичны, чем мста1лы с ГПУ-решеткой.

Двойникование представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, которое зеркально симметрично другой недеформированной его части. Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью двойникования. Деформация двойникованием происходит в тех случаях, когда она менее энергоемка по сравнению со скольжением. Двойникование наблюдается, например, в зернах отожженной меди или у металлов с ОЦК-решеткой при снижении температуры.

На рис. 4.1 представлена схема процесса двойникования под действием напряжения т. Цифрами I — I отмечена плоскость двойникования, буквой П — препятствие, например в виде дефекта кристаллической решетки.

Рис. 4.1. Схема образования двойника.

Рассмотрим процесс сдвига на примерах идеального кристалла, в котором отсутствуют дефекты, и реального кристалла, в котором присутствуют дефекты в виде дислокаций.

В идеальном кристалле (рис. 4.2) под действием напряжения в скольжении участвуют все атомы, находящиеся в плоскости скольжения А—А. Таким образом, все атомы смещаются одновременно из положения а в положение б, а затем в положение в. Для такого синхронного сдвига атомов требуется критическое касательное напряжение, равное теоретической прочности идеального кристалла.

Теперь рассмотрим процесс пластического сдвига в реальном кристалле, в котором есть дислокации. На рис. 4.3 представлена схема, демонстрирующая дислокационный механизм пластического сдвига в плоскости скольжения А—А. Дислокация, обозначенная знаком перемещается вправо под действием касательного напряжения т.

Для перемещения дислокации требуется меньшее напряжение т, чем для смещения всех атомов, находящихся в плоскости сдвига идеального кристалла. Это объясняется тем, что в реальном кристалле происходит незначительное смещение небольшой группы.

Рис. 4.2. Схема пластического сдвига в идеальном кристалле:

а — в — последовательные положения при сдвиге.

Рис. 4.3. Схема пластического сдвига в реальном кристалле:

а — в — последовательные положения при сдвиге атомов, находящихся в поле дислокации. Эти атомы уже ранее были выведены из своего регулярного положения с минимальной свободной энергией. Поэтому необходима сравнительно небольшая энергия, чтобы перевести их в новое устойчивое положение. При этом избыточная полуплоскость в верхней части кристалла (над дислокацией _1_) соединяется в одну атомную плоскость с расположенной ниже частью соседней атомной плоскости. Оставшаяся ее верхняя часть становится новой полуплоскостью, которая заканчивается краевой дислокацией. Так проходит эстафетное перемещение дислокации от одной атомной плоскости к другой, до тех пор пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла. После этого на поверхности кристалла образуется ступенька размером в вектор Бюргерса. Так происходит элементарный дислокационный акт пластического сдвига на одно межатомное расстояние.

В реальных технических металлах, которые являются поликристаллическими, процесс пластической деформации является более сложным. В общем виде деформация поликристаллического металла складывается из деформации его отдельных зерен и деформации их относительного смещения. Поэтому различают внутрикристаллитную (по телу зерна) и межкристаллитную (по границам зерен) деформации в поликристаллическом металле.

В отдельном реальном зерне имеются несколько плоскостей скольжения. В каждой плоскости скольжения расположены десятки дислокаций, которые, перемещаясь вдоль нее, развивают процесс пластической деформации. Как уже отмечалось выше, дислокации, выходящие на поверхность кристалла, образуют ступеньки. Ступеньки, различимые под микроскопом, называют линиями скольжения. Близлежащие линии скольжения группируются и образуют полосы скольжения, которые получили название полос Чернова — Людерса (по фамилиям ученых, открывших эти полосы). Образованием полос скольжения заканчивается начальная легкая стадия скольжения.

Части зерна, разделенные плоскостями скольжения, называют блоками. При увеличении пластической деформации происходят не только смещение, но и разворот и вытягивание блоков вдоль направления действия растягивающей силы Р. В исходном состоянии до деформации зерно имело округлую форму, а после пластической деформации оно приобретает вытянутую форму.

Отметим еще одну особенность пластической деформации в поликристаллическом металле. В отдельных зернах плоскости скольжения могут быть ориентированы по-разному. Всегда имеется часть зерен, плоскости скольжения которых наиболее близко ориентированы с направлениями действия касательных напряжений. Поэтому пластическая деформация будет начинаться прежде всего в таких зернах. Остальные зерна будут подвержены гораздо меньшей пластической деформации или будут находиться в состоянии упругой деформации. Поэтому если разгрузить металл, находящийся в таком напряженно-деформированном состоянии, то зерна, получившие пластическую деформацию, уже не вернутся в исходное положение, а зерна, находящиеся в упругом состоянии, будут стремиться вернуть свои первоначальные форму и размеры. Однако часть пластически деформированных зерен может не дать им возможности вернуться в исходное положение. И поэтому уиругодеформированные зерна будут оставаться в напряженном состоянии после разгрузки, сохранив остаточные упругие напряжения противоположного знака по сравнению с действующими напряжениями. Если при этом металл снова нагрузить, но уже напряжениями противоположного знака, то остаточные упругие напряжения складываются с ними и облегчают пластическую деформацию, что проявляется в снижении предела текучести. Это явление, открытое И. Баушингером, получило название эффекта Баушиигера, и проявляется оно при малых значениях пластической деформации (до 2—4%).

С увеличением действующей нагрузки все большее количество зерен будет подвержено пластической деформации, и затем наступает такой момент, когда все зерна и весь деформируемый объем металла необратимо изменяют свои форму и размеры. В этом случае речь идет о развитой пластической деформации, при которой эффект Баушингера не проявляется.

При развитой пластической деформации происходит определенная ориентация блоков относительно направления действия внешней силы. Такую ориентацию называют текстурой деформации. Она зависит от вида деформирования (растяжение, сжатие, волочение, прокатка и др.). Чем больше степень деформации, тем более отчетливо проявляется ее текстура. Однако текстура деформации является причиной анизотропии механических свойств металла. Так, например, прочность металла вдоль вытянутых зерен больше, чем в поперечном направлении.

Па рис. 4.4 представлены схемы пластической деформации отдельного зерна при сдвиге скольжением. Плоскости скольжения.

Рис. 4.4. Схема пластической деформации отдельного зерна металла:

а — исходное состояние; 6 — сдвиг скольжением показаны штриховыми линиями. Граница деформированного зерна показана сплошной линией, соединяющей вершины образовавшихся на поверхности ступенек.