Механизмы пластической деформации металлов

Под действием внешних сил атомы в кристаллических решет­ках сме-щаются относительно равновесного положения. Однако это смещение не без-гранично, и при достижении ими превыша­ющего расстояния между атомами в исходном состоянии ато­мы не возвращаются в исходное положение, а зани-мают новое равновесное положение, связь между атомами в этом случае не на-рушается. В результате происходит пластическая деформация или остаточ-ное изменение формы и размеров твер­дого тела.

В общем случае пластическая деформация в металлах осуществляется двумя путями: скольжением и двойникованием.

Скольжение происходит при сдвиге одной части монокрис­талла отно-сительно другой. Сдвиги происходят по опреде­ленным кристаллографи-ческим плоскостям и направлениям. Эти плоскости и направления принято называть плоскостями и направлениями скольжения. Скольжение в кристал-лической решетке происходит по плоскостям с наибольшей плотностью разме-щения атомов, а направлениями скольжения являются те направления, по кото-рым расстояния между атомами имеют минимальную величину.

Скольжение по определенным плоскостям начнется тогда, когда ка-сательные напряжения в них достигнут вполне опре­деленной критической величины, и осуществляется путем последовательного смещения атомов (от-дельных или групп атомов) относительно других вдоль плоскости сколь-жения (рисунок 10, а).

Реальные кристаллы имеют места ослабленных связей меж­ду атомами. Это объясняется наличием несовершенств решет­ки. Несовершенства решетки реальных металлических кристаллов обусловлены различными причинами. Это отсутствие в узлах решетки атомов, излишние атомы, внедренные между узловыми атомами и т.д. Особым видом несовершенства кристаллической ре-шетки являются дислокации. Дислокации представляют собой линей­ные де-фекты кристаллической решетки, имеющие значительную протяженность в одном направлении.

а б

Рисунок 10 – Схемы пластической деформации скольжением (а) и

двойникованием (б)

Под действием сдвигающих напряжений дислокация переме­щается вдоль плоскости скольжения. Для перемещения дисло­кации требуется меньшее уси-лие, чем для смещения атомов в решетке без дислокаций. Это объясняется тем, что дислока­ция перемещается на расстояние меньше межатомного. Для продолжения деформации необходимо перемещение других дис­локаций. Про-цесс пластической деформации сопровождается дополнительным возникнове-нием дислокаций. В реальных недеформированных кристаллах количество дислокаций очень велико и достигает величины 10⁸ на 1 см² площади.

Таким образом, усилие, необходимое для пластической деформации кристалла, определяется двумя факторами: нали­чием дислокаций и возмож-ностью их перемещения.

В некоторых металлах деформация происходит двойникованием. При этом часть кристалла переходит в положение, которое симметрично другой части кристалла (рисунок 10, б). Решетка деформированной части кристал-ла является зеркаль­ным отображением решетки недеформированной части. При двойниковании смещение составляет доли периода, причем все плос-кости деформированной части кристалла сдвигаются относительно соседних плоскостей на одинаковую величину. Переход решетки в новое положение происходит почти мгновенно и часто сопровождается характерным потрес-киванием. Двойникованием может быть получена незначительная степень де-формации. Этот механизм пластической деформации сопутс­твует основному механизму – скольжению.

Пластическая деформация поликристаллов складывается из деформации зерен и их относительного смещения. Пластичес­кая деформация зерен пред-ставляет собой изменение их фор­мы и размеров, и их относительное сме-щение – перемещение и поворот относительно друг друга. В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно, которое до деформа­ции имело округлую форму, постепенно вытягивается в на­правлении растягиваю-щих сил и получает вытянутую форму в направлении наиболее интенсивного течения металла. Опре­деленная ориентировка вытянутых в результате пласти-ческой деформации зерен называется полосчатостью микроструктуры (во-локнистостью).

Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации оси зерен получают определенную преимущественную ориенти-ровку вдоль деформации, т.е. некото­рое однотипное расположение зерен в металле. Эта преиму­щественная ориентировка называется текстурой деформа-ции. Появление текстуры наблюдается при деформациях около 50 % (отно-сительное изменение сечения к первоначальному) и достигает наибольше-го совершенства с ростом деформации.

Текстура металлов, у которых зерна имеют одинаковую ориентировку, приводит к тому, что поликристаллический металл приобретает свойства, близкие к свойствам моно­кристалла. В этом случае поликристаллический ме-талл ста­новится анизотропным, т.е. имеет неодинаковые свойства в различ-ных направлениях.

Описанные выше процессы внутрикристаллитной деформации являются основными. В определенных условиях появляется смещение зерен относи-тельно друг друга, т.е. будет наблю­даться межзеренная деформация. Так как пограничные участ­ки зерен имеют значительную неоднородность по составу и искажение кристаллической решетки, пластический сдвиг на этих участ-ках требует повышенной величины сдвигающего на­пряжения по сравнению с напряжением при сдвиге атомов в самом зерне. Таким образом, вблизи границ зерен располо­жены зоны затрудненной деформации. Наряду с этим на границе зерен могут быть микропустоты, скопления примесей в форме лег-коплавких примесей, которые ослабляют связь между зернами. Т.е., металл вблизи границ может быть более прочным или менее прочным по срав-нению с самим зерном.

Прочность границ зерен является необходимым условием прочности по-ликристалла. В случае слабой связи между зернами, прочность полик-ристаллического металла и его пластичность будут пониженными. Межкрис-таллитная деформа­ция является нежелательной, так как даже небольшое разви­тие ее может привести к разрушению металла.