8.6. Вплив зовнішньої поверхні на процес пластичної деформації

Зварювання та спорідненні процеси супроводжуються пластичною деформацією, умови протікання якої пов'язані з характером і кількістю дислокацій, дифузією й кількістю вакансій. Важливим фактором у ході цих процесів є прискорення дифузії й самодифузії на поверхні й інших шарів.

Щільність дислокацій і концентрація вакансій у поверхневих і глибинних шарах металу відрізняються.

У загальному випадку вплив поверхні на пластичну деформацію зводиться до наступного:

1. Перекручування атомної конфігурації на поверхні впливають на переміщення дислокації й вакансій, обумовлюючи відповідну зміну характеру деформування та властивостей тіла.

2. Поверхневий шар адсорбує атоми зовнішнього середовища, що призводить до зміни поверхневого складу тіла і його властивостей.

3. Поверхневий шар металу, вступаючи в хімічну взаємодію з атомами атмосфери, утворює хімічні сполуки, які покривають відносно тонким шаром деформуюче тіло.

4. Компоненти сплаву у відповідність із їхніми властивостями можуть вступати у хіміко-фізичну взаємодію із середовищем і залишати поверхневі шари тіла, обумовлюючи зміну його властивостей (наприклад, поява зневуглецеваного шару).

5. У процесі зварювання, наплавлення, пайки, напилюванні легкоплавкі елементи металу можуть дифундувати по границях кристалів у приповерхневих шарів основного металу.

8.7. Аномалії пластично течії поверхневих шарів. Особливості переміщення дефектів поблизу вільної поверхні тіла

Загальною рисою робіт, присвячених питанням пластичної деформації матеріалів, є факт наявності в поверхневих шарах джерел зсувоутворення, що впливають у першу чергу на загальний процес макроскопічної деформації. Установлено, що початок пластичної течії кристалу починається з його поверхневих шарів, де діють поверхневі джерела дислокацій.

Щільність поверхневих джерел дислокацій і швидкість переміщення таких дислокацій на ранній стадії деформування вище, у порівнянні з об'ємними.

Крім того, готовими легко діючими джерелами дислокацій у поверхні можуть бути оксидні плівки, подряпини, тріщини, які діють усередині кристала подібно маленьким індентором, поверхневі мікровиступи й сходи відколу.

Установлено, що концентрація джерел зсувоутворення (особливо гетерогенного типу) у поверхні завжди вище, ніж в об'ємних шарах кристалу.

Гіпотеза про переважну пластичну течію у приповерхневих шарах кристала на початкових стадіях деформування знайшла експериментальне підтвердження. Подібні висновки можна зробити на підставі досліджень щільності дислокацій по глибині кристала (рис.8.8,а), а також при вивчення особливостей мікропластичної деформації в поверхневих шарах на загальний хід кривої деформаційного зміцнення (рис.8.8,б). Глибина такого приповерхневого шару (debris-шар) з великою щільністю дислокацій може досягати 60 (Al) – 100 (Fe) мкм залежно від матеріалу.

Таким чином, у приповерхневих шарах кристала виникають аномально полегшені енергетичні умови пластичної течії. У той же час поверхневі шари можуть відігравати роль бар'єра в загальному процесі макроскопічної деформації. Принципово залежно від абсолютної величини й конкретних умов деформації можна одержати як більш слабкий, так і більш зміцнений приповерхневий шар деформуючого матеріалу. Про більшу або меншу міцність приповерхневого шару в порівнянні з об’ємом матеріалу варто говорити, маючи на увазі конкретні умови деформації, її абсолютну величину й швидкість, тип середовища, передісторію досліджуваного матеріалу, метод навантаження й дослідження, варто чітко розрізняти, на якій стадії мікро - або макроскопічної течії спостерігається ослаблений або більш міцний приповерхневий шар.

У загальному випадку протікання процесу мікропластичної деформації в приповерхневих шарах кристалів можна розділити на дві основні стадії.

Перша стадія. Аномальна поведінка виражається в більш полегшеному утворенні й русі дислокацій у приповерхневих шарах кристалічних матеріалів у порівнянні з його внутрішніми об'ємними шарами. Щільність і швидкість дислокацій, що випускають приповерхневими шарами на 1–1,5 порядку перевищує відповідні об'ємні величини.

Друга стадія. Протікання 2-й стадії (зміцнення) - бар'єрний ефект поверхні - можна розглядати як неминучий наслідок протікання першої стадії аномальної пластичної течії. У результаті цього поблизу поверхні утвориться шар з підвищеною щільністю дислокацій, так званий «верств-debris-шар», що перешкоджає виходу смуг ковзання на поверхню кристалу й гальмує розвиток об'ємної деформації. У цьому випадку ефект як би змінює знак, тобто більш полегшені умови деформації поблизу поверхні змінюються більш важкими.

Бар'єрний ефект при поверхневих шарів (поверхні) при деформуванні матеріалів

Таким чином, характер і кінетика прояву структурних і енергетичних особливостей пластичної деформації кристалічних матеріалів поблизу поверхні можуть істотно змінюватися на різних стадіях деформаційного зміцнення, поступово переходячи від більш полегшених параметрів пластичної течії до більш важких, до бар'єрного ефекту поверхні.

Аналіз даних по поводженню поверхневих шарів матеріалів при деформуванні дозволяє виділити три основних випадки бар'єрного ефекту поверхні:

1. Бар'єрний ефект атомарно чистої поверхні, обумовлений тим, що дислокації, що виходять на поверхню кристалу, повинні мати додаткову енергію, затрачувану на роботу, пов'язану зі збільшенням загальної поверхневої енергії кристалу при утворенні сходинки висотою nb, де n – число дислокацій у плоскому скупченні, b – вектор Бюргерса. Максимальний прояв цього ефекту (зниження або підвищення його) спостерігається при деформації матеріалів у присутності поверхнево активних рідких, газових або твердих середовищ, що різко змінюють величину питомої поверхневої енергії кристала.

2. Бар'єрний ефект реальної окисленої поверхні або покритої іншого типу твердими плівками (ефект Роско).

3. Бар'єрний ефект, пов'язаний з формуванням деякого градієнта щільності дислокацій поблизу поверхні й виникаючий внаслідок полегшених умов деформації, розглянутих вище.

У реальних умовах деформації важко провести порівняльну оцінку ефективності таких бар'єрних ефектів. Вони можуть накладатися один на одного, взаємодіяти й істотно перерозподіляти питомий внесок кожного з них у загальну сумарну величину цього явища. Причому дія факторів 1 і 2, як правило, повинна передувати дії бар'єрного ефекту 3, тому що вона накладається на першу стадію полегшеної пластичної деформації, що в ряді конкретних випадків може в істотному ступені екранувати зазначені особливості полегшеної пластичної течії поблизу поверхні або в особливих випадках деформації придушувати їх зовсім. У звичайних випадках деформування макроскопічних більших зразків без плівок і твердих покриттів внесок бар'єрного ефекту 3 як наслідок реалізації процесу полегшеної пластичної течії поблизу поверхні більш значний у порівнянні з бар'єрними ефектами 1 і 2.

Рис.8.8. Залежність щільності гвинтових дислокацій від глибини при поверхневого шару кристалів LiF, знятого поліруванням (а) і криві деформації – стиску (б): без зняття поверхневого шару (1); із зняттям шляхом полірування шару на глибину 7 мкм (2); на глибину 14 мкм (3).