3.2. Практические аспекты применения понятий кристаллической решётки

По современным представлениям, пластическая деформация является результатом движения дислокация. Дислокация характеризуется вектором Бюргерса, его величиной и ориентацией в кристаллической решётке. Не вдаваясь в подробности, укажем, что, например, в решётке ГЦК (К12) существует дислокации с векторами Бюргерса а/2<110>, a/6<112>, a/3<111>, a/6<110>, где а – период элементарной ячейки, а в скобках указаны индексы направления в решётке. Дислокации могут перемещаться вдоль плоскостей скольжения. Для решётки К12 это плоскости типа {112}, которые характеризуются наибольшей плотностью упаковки атомов. Дислокация а/2<110> и а/6<112>, векторы Бюргерса которых лежат в плоскости скольжения, наиболее легко перемещаются в этих плоскостях. И именно оно вносят основной вклад в пластическую деформацию металла. Дислокация а/3<111>, вектор Бюргерса которой перпендикулярен плоскости (111), скольжением перемещаться не может. Единственный вид её перемещения – переползание из одной плоскости в другую в направлении [111] путём диффузии. Дислокация, а/6<110>, хотя и лежит в плоскости скольжения, но перемещаться не может, ни скольжением, ни переползанием, так как ось этой дислокации совпадает с линией пересечения двух плоскостей скольжения. Такая дислокация называется вершиной. Макроскопическая деформация сдвига, реализуемая при обработке металла давлением, определяется как δ=ρ×в×Ẍ, где ρ – плотность дислокации в металле, в – вектор Бюргерса дислокации, Ẍ - средняя длина свободного пробега дислокации во время деформации металла. Из вышеизложенного ясно, что без введения понятий о кристаллической решётке и её параметрах невозможно вообще построение теории дислокаций и в конечном итоге объяснение прочности и пластичности металла и сплавов.

Плоскость скольжения дислокации и направление скольжения определяют такое понятие как система скольжения. Например, в той же решётке К12 плоскость скольжения (111) и направление скольжения [110] определяют систему скольжения (111) [110]. Чем больше в кристаллической решётке систем скольжения, тем выше её способность к пластической деформации. Число же систем скольжения определяется типом решётки и плотностью упаковки атомов. Решётки типа К8 и К12 имеют по 48 систем скольжения. Конструкционные металлы Al, α- и γ- Fe, Cu, Ni, Cr, Mo, W (последние три очищенные от примесей внедрения) с такими решётками характеризуются высокой пластичностью. Относительное удлинение δ у этих металлов находится на уровне 40-70%. У металлов с гексагональной решёткой всего 6 систем скольжения (при условии, что с/a≥1,633), поэтому у Mg, Be и других металлов с гексагональной решёткой пластичность низкая, δ≤10%.

Пластическая деформация металла кардинально меняет структуру и эффективно влияет на его свойства. При деформации зёрна металла изменяют свою форму, вытягиваясь в направлении главной деформации растяжения. При этом протекает процесс ориентации зёрен, или так называемый процесс формирования текстуры деформации. Например, в прессованных прутках из алюминиевых сплавов наблюдается аксиальная текстура деформации [111]. Это значит, что большинство зёрен ориентируется в результате деформации таким образом, что их кристаллографическое направление [111] становится параллельным оси прутка. В катанных листках, прессованных плоских полуфабрикатах алюминиевых сплавов зерна ориентируется так, что их кристаллические плоскости (110) становятся параллельными плоскости деформации, а направление [112] – параллельным направлению деформации. Образуется текстура деформации (110) [112].

Можно привести ещё много примеров использования понятий кристаллической структуры и её параметров в теоретическом и практическом плане. Однако из того, что уже сказано, ясно, сколь велика роль структуры в формировании свойств материала и в объяснении этих свойств. Знание этой взаимосвязи позволяет создавать материалы с заданными свойствами.