4.3. Механизм упругой и пластической деформации

При упругой деформации атомы материала смещаются на наибольшее расстояние относительно друг друга. При этом возникают межатомные силы притяжения или отталкивания, в зависимости от того сближаются или удаляются атомы. После снятия внешней нагрузки атомы материалов под действием этих сил возвращаются в исходное положение равновесия. При этом размеры и форма образца полностью восстанавливаются. Так объясняется обратимость упругой деформации.

При пластичной деформации происходит сдвиг одной части материала относительно другой.

Сдвиг происходит по атомным плоскостям, называемыми плоскостями скольжения. После снятия внешней нагрузки сдвинутые атомные слои в исходное положение не возвращаются. Поэтому пластическая деформация является необратимой. Обычно в роли плоскостей скольжения выступает наиболее плотноупакованные атомные плоскости, слабо связанные друг с другом межатомными силами. В первую очередь сдвиг происходит по атомным плоскостям, расположенными под углом 450 к нагрузке, потому что в них создается максимальное сдвиговое напряжение.

, при α = 450 σ_τ – max

В следующий момент в этот сдвиговый процесс вовлекают плоскости скольжения, расположенные под углом больше и меньше 450.

Теоретические расчеты показывают, что для сдвига по плоскостям скольжения требуется напряжение в 100 раз превосходящее те, при которых в реальности происходит пластическая деформация. Причина расхождения теории с практикой заключается в том, что атомные слои смещаются не целиком сразу, а поэтапно, т.е. атомными рядами. Для реализации такого механизма смещения требуется отсутствия хотя бы одного атомного ряда в плоскости. В реальных материалах (металл) всегда и в большем количестве наблюдается такого рода дефект, это – дислокации. Благодаря им сдвиг атомных слоев осуществляется под воздействием гораздо меньших напряжений.

ПС

Согласно механизму (см. рис.) смещение атомной плоскости можно рассмотреть движение дислокации в противоположном направлении. При выходе дислокации на поверхность кристалла (границ зерен) образуется «ступенька» и таким образом завершается сдвиг одной части кристалла относительно другой. Расчеты сдвиговых напряжений с учетом дислокации дают значения, точно совпадающие с действительным. Механизм пластической деформации является сдвигово-дислокационным. Чем легче двигаются дислокации, тем меньше напряжение, при которых осуществляется пластическая деформация. У бездефектных кристаллов «усов» предел текучести приближается к теоретически рассчитанному без учета дислокации. С увеличением плотности дислокации в материале сдвиговые напряжения сначала уменьшаются, а затем, достигнув минимума, начинают возрастать.

σ, МПа

Теор

металлы ХПД

усы обыч. метал. ρ, см -2

Сначала увеличение плотности деформации способствует процессу деформации и поэтому напряжения, при которых происходит деформация, уменьшается. В обычных металлах ρ = 106 – 108, см ^-2 при этом наблюдаются относительно низкие сдвиговые напряжения. В процессе холодной пластической деформации (ХПД) происходит нарождение все новых и новых дислокаций. Плотность дислокации при этом возрастает и достигает 10 - 12 см ^-2. При этом дислокации очень сильно взаимодействуют друг с другом (зацепляются, переплет) и мешают друг другу двигаться. Ограничение подвижности дислокации приводит к тому, что материал теряет пластичность и становится более прочным, т.е. нарастает напряжение, при которых осуществляется пластическая деформация.