3.2 Деформация моно- и поликристаллов

П ри деформировании монокристалла дислокации перемещаются беспрепятственно на большие расстояния, монокристалл не упрочняется. Деформирование осуществляется без значительного роста действующих напряжений. Эта I стадия легкого скольжения (рис. 3.6) в кристаллах с ГПУ решеткой достигает 1000 %, с ГЦК и ОЦК – 10–15 %. Плоскостями легкого сдвига в ГЦК металлах являются плоскости (111), в ОЦК металлах – плоскости (110), в ГПУ металлах – плоскости (0001).

Когда первичные системы легкого сдвига блокированы, начинается II стадия движения дислокаций (скольжение) по вторичным плоскостям (см. рис. 3.3). Для этой стадии характерна активная работа источников Франка-Рида (резко увеличивается плотность дислокаций). Дислокации имеют короткий пробег, происходит интенсивное упрочнение монокристалла. На III стадии под влиянием возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции дислокаций разного знака. Имеет место динамический возврат − уменьшение деформационного упрочнения.

При пластической деформации в реальных условиях в механизмах пластичности участвует скольжение по нескольким системам.

При деформировании поликристалла стадия легкого скольжения отсутствует (см. рис. 3.6). Достигнув границы зерна, дислокации останавливаются. Напряжения при скоплении дислокаций упруго распространяются через границу и приводят в действие источники Франка-Рида в соседнем зерне. Плоскости и направления скольжения в каждом зерне различны. Зерна деформируются неодинаково, так как ориентированы произвольно по отношению к приложенной нагрузке (рис. 3.7).

С ростом нагрузки деформация зерен сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Зерна вытягиваются в направлении пластического течения. Концентрация дефектов (дислокаций, вакансий, междоузельных атомов) внутри зерен возрастает. Дефекты затрудняют движение дислокаций: сопротивление деформации растет, пластичность – уменьшается. Явление упрочнения металла называют наклепом.

В нутри зерен дислокации сначала распределены равномерно. При увеличении степени деформации более 40 % появляется ячеистая структура. Ячейки с размером 0,2–3 мкм свободны от дислокаций; границы ячеек – сложно переплетенные стенки дислокаций.

Текстура деформации. При большой степени деформации возникает ориентация зерен в направлении, перпендикулярном нормальным напряжениям, − механическая текстура (рис. 3.7,г). В холоднокатаном металле зерна сплюснуты в вертикальном направлении и вытянуты в продольном. Кристаллографическая текстура − ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах относительно выбранных в пространстве.

Деформирование двухфазного сплава. Каждая фаза имеет свои плоскости скольжения и критические напряжения сдвига. Процесс деформирования зависит от количества и структуры второй фазы, характера ее распределения.

Когда дислокация наталкивается на когерентные частицы второй фазы, то она их перерезает или огибает, в зависимости от их размеров, прочности и расстояния между ними. Небольшие когерентные частицы перерезаются дислокациями (рис. 3.8,а). Чем они прочнее, тем труднее перерезаются дислокациями. Большие когерентные частицы, находящиеся на значительном расстоянии одна от другой, огибаются дислокациями с образованием петель.

Когда дислокация наталкивается на некогерентные частицы, то она их только огибает (рис. 3.8,б). Оставив вокруг частицы петлю, дислокация скользит в прежнем направлении. При возрастании напряжений число петель вокруг частиц увеличивается, расстояние между частицами уменьшается. Напряжение для продвижения дислокации между частицами возрастает, прочность металла увеличивается.

Р азрушение металлов. Процесс деформации при достаточно высоких напряжениях заканчивается зарождением трещины и ее распространением через все сечение образца – разрушением. Если металл претерпевает перед разрушением упругую и значительную пластическую деформацию (более 30 %), то говорят о вязком разрушении. При отсутствии или незначительном развитии пластической деформации происходит хрупкое разрушение. Для хрупкого разрушения характерна острая, ветвящаяся трещина, а для вязкого – тупая, раскрывающаяся трещина. Пример вязкого разрушения материала – деформация сырой глины; абсолютно хрупкое разрушение свойственно алмазу. Большинству технических материалов присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, разделение проводится условно по преобладанию того или иного вида. Механизм зарождения трещины при хрупком и вязком разрушении одинаков. Модель Стро-Мотта. Под действием напряжений краевые дислокации скапливаются перед препятствиями (границы зерен, межфазные границы, включения). Дислокации настолько тесно прижаты друг к другу, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая микротрещина (рис. 3.9). Трещина обычно образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения дислокаций. Механизм Котрелла разработан применительно к металлам с ОЦК решеткой, склонным к хрупкости при низких температурах. В деформированном образце дислокации скользят в пересекающихся плоскостях скольжения. При встрече этих дислокаций и слиянии в месте стыка возникает новая дислокация, которая представляет собой барьер, тормозящий скольжение. Это приводит к скоплению дислокаций и образованию трещины. Трещина также может возникнуть при движении одних зерен отно­сительно других, на границе двойника и т. д.