3. Деформация и разрушение металлов

3.1. Упругая и пластическая деформация

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних воздействий без разрушения. Механическое напряжение – мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле и действующих на единицу площади поперечного сечения. Единица измерения – паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м², 1 кгс/мм² = 10 МПа.

Напряжения и вызываемые ими деформации возникают при действии на тело внешних сил в результате фазовых и структурных превращений, связанных с изменением объема.

П ри упругой деформации (рис. 3.1,а) происходят небольшие смещения атомов из положения равновесия. Баланс кулоновских сил притяжения и отталкивания, которыми были связаны атомы, нарушается. При снятии нагрузки смещенные атомы под действием кулоновских сил возвращаются в исходное положение, деформация исчезает.

С ростом нагрузки начинается пластическая деформация, которая осуществляется скольжением и двойникованием (рис. 3.1,б,в) и остается после снятия нагрузки.

Д еформация скольжением. Процесс скольжения не следует представлять как перемещение одной части кристалла относительно другой. Такой синхронный сдвиг требует напряжений, которые во много раз превышают те, при которых в действительности протекает процесс деформации. Сдвиг происходит не сразу, а последовательными этапами. Вокруг дислокаций возникают поля напряжений и образуются площадки облегченного скольжения. Небольшое напряжение вызывает на таком участке сдвиг плоскостей на одно межатомное расстояние.

Сдвиг осуществляется при перемещении дислокаций по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов и зависит от кристаллической структуры металла, скорости приложения нагрузки, температуры. При приложении напряжения краевая дислокация перемещается вследствие разрыва старых межатомных связей и установления новых (рис. 3.2), затем разрываются новые связи и т. д. Дислокация выходит на край кристалла, на поверхности образуется ступенька. За счет элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг на величину межатомного расстояния. Дислокации не обрываются внутри кристалла, а прерываются на других дислокациях или границах зерен.

Плоскости и направления скольжения образуют систему скольжения. В металлах с ГЦК решеткой (-Fe, Сu, Al, Ni, Ag) 4 плоскости скольжения (111) с 3 направлениями скольжения вдоль диагоналей граней [110] образуют 12 систем скольжения (рис. 3.3,а).

В металлах с ОЦК решеткой (-Fe, W) плоскости скольжения (110), (112), (123) и направления скольжения вдоль пространственных диагоналей [111] образуют 48 систем скольжения (рис. 3.3,б). При деформации металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

В металлах с ГПУ решеткой при c/a  1,63 (Mg, Zn) скольжение происходит по плоскости базиса (0001) и трем направлениям скольжения (рис. 3.3,в). Эти металлы менее пластичны и труднее, чем металлы с кубической решеткой, поддаются прокатке, штамповке. В металлах при c/a  1,63 (Zr, Ti) скольжение происходит по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям. Эти металлы более пластичные, чем магний и цинк.

Д еформация двойникованием (рис. 3.1,в) проявляется тогда, когда деформация скольжением затруднена. Этому способствует низкая температура и ударное нагружение. При двойниковании сдвиг происходит в ограниченном объеме на определенную величину, одна часть кристалла становится в положение, симметричное относительно другой. Легче всего двойникование идет в металлах с ГПУ решеткой, труднее – в металлах с ОЦК решеткой и труднее всего – в металлах с ГЦК решеткой.

Источник Франка-Рида. В процесс пластической деформации вовлекается большое число дислокаций. За исключением закрепленных дислокаций, которые не могут двигаться, остальные дислокации должны были бы мигрировать к поверхности, оставляя за собой кристалл без дислокаций. Однако этого не происходит. Необходимое число дислокаций возникает из источника внутри кристалла.

В 1950 г. Франк и Рид предложили механизм, объясняющий непрерывное развитие дислокационных линий и петель и прохождение их через плоскость скольжения. Краевая дислокация расположена в плоскости скольжения (плоскости рисунка) и закреплена в точках А и В другими дислокациями или примесными атомами (рис. 3.4,а). Под действием напряжения дислокация выгибается и принимает форму полусферы (рис. 3.4,б). При уменьшении приложенного напряжения сила натяжения будет упруго выпрямлять дугу. При дальнейшем приложении напряжения, которое может быть меньше критического, дислокационная петля самопроизвольно расширяется (рис. 3.4,в). Поскольку петля закреплена, то она закручивается вокруг точек А и В (рис. 3.4,в) в виде двух симметричных спиралей. Краевая дислокация, изгибаясь, превращается в смешанную дислокацию, содержащую участки с краевой и винтовой ориентацией. На этой стадии возникают участки винтовых дислокаций противоположного знака. В месте соприкосновения спиралей винтовые дислокации разного знака встречаются и взаимно уничтожаются. Оставшиеся линии, являясь краевыми дислокациями, соединяются вместе (рис. 3.4,д). Это приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и новой дислокации, занимающей исходную позицию. Внешняя петля разрастается до границы кристалла, что приводит к элементарному сдвигу. Из одного источника образуются сотни дислокаций. Сумм арный эффект образования множества петель при их выходе на свободную поверхность проявляется в виде образования линий скольжения на грани кристалла (рис. 3.5).

Рассмотренный источник Франка-Рида генерирует дислокационные петли в одной атомной плоскости, пространственный источник – в разных плоскостях. Из рентгеновских исследований дислокаций в слабодеформированных кристаллах германия оценено количество источников дислокаций: 10²–10³ см^-3.