4.3. Пластические свойства твердых тел
Не зависящую от времени деформацию, которая сохраняется после снятия нагрузки, называют пластической.
Этот вид деформации возникает при превышении напряжением предела упругости – начинает проявляться текучесть. Пластическая деформация обусловлена скольжением и двойникованием дислокаций при наличии сдвиговых напряжений. При двойниковании (в плотно упакованных ОЦК и ГЦК) происходит сдвиг определенных областей кристалла относительно плоскости двойникования в положение, являющееся зеркальным отражением несдвинутых частей. В области сдвига перемещение большинства атомов происходит на расстояния, меньшие межатомных (рис. 4.9). Плоскость двойникования – не обязательно плоскость симметрии.
Рис. 4.9. Двойникование при пластической деформации
При пластической деформации путем скольжения одна часть кристалла перемещается в направлении скольжения относительно другой вдоль плоскости скольжения (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Пластическая деформация скольжением
Каждая решетка имеет несколько систем скольжения. Скольжение – процесс анизотропный и происходит не в направлении действующей силы, а по плоскости наибольшей плотности упаковки (с малыми индексами Миллера). Для ряда решеток (особенно металлов) расстояние между двумя соседними плотно упакованными плоскостями больше, чем между другими атомными плоскостями, поэтому для скольжения плотно упакованных плоскостей требуются минимальные сдвиговые усилия.
Направления
скольжения также лежат в плотноупакованных
плоскостях, так как в них требуются
минимальные смещения между атомами. В
каждой кристаллической решетке имеется
несколько систем (плоскостей и направлений)
скольжения. В ГЦК решетке минимальное
межплоскостное расстояние между
плоскостями{111} при a-параметре
решетки равно
, а для менее плотно упакованных плоскостей
{110}
, т.е.
межплоскостное расстояние в 1,6 раз
больше для {111}, чем для {110}.
Плоскостей (111) – 4, направлений скольжения [110] – 3. Всего 12 систем скольжения.
При
нагружении монокристалла пластическая
деформация начнется в той системе
скольжения, которая благоприятно
ориентирована относительно
.
Рассмотрим растяжение цилиндра площадью
S
силой
.
Пусть
–
плоскость скольжения и
– направление
скольжения (рис. 4.11).
;
;
;
(4.15)
Рис. 4.11. К выводу формулы Шмида
Так
как
,
то приведенное к направлению
скалывающее напряжение
(4.16)
Это формула Шмида.
max = 0,5, когда = = 45.
Типичные значения (10–4 10–5)G, т.е. порог, после которого начинается пластическая деформация.
Нормальные напряжения не оказывают влияния на пластическое течение, а влияют только касательные , совпадающие с плоскостью скольжения. Итак, пластическая деформация кристалла начинается только тогда, когда скалывающее (касательное) напряжение превышает критическое значение, характерное для данного материала и данной системы скольжения.
Влияние дефектов на пластичность кристалла
Скольжение плоскостей в идеальном кристалле требует значительных усилий, так как необходим разрыв порядка 1020 м–2 (1016 см–2) межатомных связей. Оценка теор для разрыва связей дает (3.17):
Однако, экспериментальные значения скалывающих напряжений намного меньше (10–4 10–5)G. Причина – в наличии в реальных кристаллах дислокаций, для перемещения которых требуются значительно меньшие напряжения, чем для сдвига всей плоскости.
Точечные дефекты,образуя атмосферу Коттрела вокруг дислокаций, могут их тормозить (упрочнение металлов легированием).
Увеличение числа дислокаций, взаимодействие их упругих полей и их взаимное пересечение также может повысить прочность металла (наклеп или деформационное упрочнение ковкой), уменьшая подвижность дислокаций.
Нитевидные кристаллы, содержащие мало дислокаций, имеют предел текучести, близкий к теоретическому.
Таким образом, в реальных кристаллах предел текучести снижается за счет возможности скольжения дислокаций, однако примесная атмосфера и другие дислокации могут повышать прочность реальных твердых тел.