2.2. Пластическая деформация кристаллов
Как видно из рис. 2.3. при напряжениях, привышающих предел текучестия, в пластичных кристаллах возникает пластическая деформация. Однако причиной появления этой деформации не могут служить ни растяжение ни сжатие.
Пластическая деформация может возникнуть в результате действия лишь сдвиговых напряжений, способных вызвать смещение одних частей кристалла относительно других без нарушения связи между ними. Такое смещение называют скольжением. Оно составляет сущность процесса пластического течения кристаллических тел. На рис. 2.4 показано возникновение и развитие остаточной деформации в кристалле (рис. 2.4, а) при действии сдвигающей силы F. До тех пор пока не достигнут предел упругости, кристалл деформируется упруго (рис. 2.4, б) и касательные напряжения растут пропорционально относительной деформации сдвига (закон Гука);
Рис. 2.4. Возникновение пластической деформации в кристалле
После снятия внешней нагрузки атомы возвращаются в свои первоначальные положения. При превышении предела упругости внутри кристалла вдоль определенных плоскостей S, называемых плоскостями скольжения, происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой (рис. 2.4, в) на одно или несколько атомных расстояний. После снятия внешней нагрузки упругие напряжения решетки снимаются, однако одна часть кристалла остается смещенной относительно другой (рис. 2.4, г). Из таких малых необратимых смещений, протекающих во многих плоскостях скольжения, складывается остаточная деформация кристалла в целом.
Способность кристалла к пластической деформации определяется прежде всего характером сил связи между его структурными элементами.
Ковалентная связь, обладающая строгой направленностью, резко ослабляется уже при незначительных смещениях атомов друг относительно друга. При сдвиге эта связь разрушается раньше, чем атомы успевают устанавливать ее с другими своими соседями. Поэтому кристаллы валентного типа (алмаз, кремний, германий, сурьма, висмут, мышьяк и др.) не проявляют способности к пластической деформации. По исчерпании упругой деформации они хрупко разрушаются.
Металлическая связь, не имеющая направленного характера, меняется, наоборот, очень слабо при тангенциальных смещениях атомов друг относительно друга. Поэтому возможны весьма большие смещения (на тысячи атомных расстояний) одних частей решетки относительно других, что и определяет высокую степень пластичности кристаллов этого типа.
Ионная связь занимает промежуточное положение между металлической и ковалентной связями. Она не столь направленная, как ковалентная, но и не столь гибкая, как металлическая. Типичные ионные кристаллы NaCl, CaF2, KCI и т. д. являются почти такими же хрупкими, как и кристаллы валентного типа. В то же время кристаллы хлористого серебра обладают достаточно высокой пластичностью.
Скольжение в кристалле протекает по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Таковыми являются обычно наиболее плотно упакованные атомные плоскости и направления. Объясняется это тем, что плотно упакованные плоскости и направления являются наиболее прочными, так как расстояния'между атомами в них наименьшие и связь между ними наибольшая. С другой стороны, расстояние между такими плоскостями наибольшее, вследствие чего связь между ними наименьшая. Скольжение вдоль этих плоскостей и направлений протекает при минимальном нарушении в расположении атомов и является поэтому наиболее легким.
Совокупность плоскости скольжения и направления скольжения, лежащего в этой плоскости, образует систему скольжения (рис. 2.5).
Рис.2.5. Плоскости и направление скольжения в гексагональных кристаллах
Сдвиг в кристалле по данной системе скольжения происходит лишь начиная с момента, когда сдвиговое напряжение τ, действующее в этой системе скольжения, достигает критического значения τк, называемого критическим скалывающим напряжением. Для наиболее пластичных монокристаллов критическое скалывающее напряжение не превышает 106 Па.
Пластическая деформация может протекать также путем двойникования, представляющего собой процесс последовательного смещения друг относительно друга атомных плоскостей, параллельных плоскости двойникования, на одно и то же расстояние, составляющее некоторую часть параметра решетки.
Двойникование наблюдается в ряде кристаллов, особенно имеющих плотноупакованную гексагональную или объемно-центрированную кубическую решетку. При двойниковаиии происходит; сдвиг определенных областей кристалла в положение, отвечающее зеркальному отображению несдвинутых областей. Такой симметричный сдвиг происходит относительно какой-то благоприятным образом ориентированной по отношению к приложенному напряжению t кристаллографической плоскости, называемой плоскостью двойникования (рис. 2.6), которая до деформации не обязательно была плоскостью симметрии. Областью сдвига является вся сдвинутая часть кристалла; При двойниковаиии, как видно из рис. 2.6, в области сдвига перемещение большинства атомов происходит на расстояния, меньшие межатомных, при этом в каждом атомном слое атомы сдвигаются на одно и то же расстояние по отношению к атомам нижележащего слоя.
Рис.2.6. Пластическая деформация двойникованием
Двойникование, как и скольжение, развивается только по определенным кристаллографическим плоскостям. Для осуществления двойникования необходимо, чтобы касательные напряжения достигали критического значения. Развивается этот процесс очень быстро и сопровождается обычно характерным потрескиванием.
Так как при двойниковании происходят лишь незначительные смещения соседних атомных плоскостей друг относительно друга, то оно не может привести к большой остаточной деформации. Поэтому в кристаллах, способных к пластическому течению путем скольжения, на двойникование приходится обычно лишь незначительная доля общей пластической деформации. У валентных же кристаллов, у которых процесс скольжения развиваться не может, незначительная деформация перед разрушением обеспечивается двойникованием. У гексагональных кристаллов, неблагоприятно ориентированных по отношению внешней силы, двойникование, вызывающее изменение ориентации кристалла, может привести к значительной остаточной деформации путем обычного скольжения.
Процесс скольжения начинается всегда в местах нарушения структуры кристалла и распространяется по плоскости сдвига путем последовательного перемещения этого искажения, охватывающего в каждый момент лишь относительно небольшое количество атомов. Искажениями такого рода, как было показано в п. 1.2.2, являются дислокации.
Таким образом, сдвигообразование в кристалле, развивающееся под действием внешней силы, представляют собой движении дислокаций по плоскостям скольжения и выход их на поверхность кристалла. Если бы сдвигообразование происходило только за счет выхода дислокаций, уже имеющихся в кристалле, процесс пластического деформирования приводил бы к истощению дислокаций и переводу кристалла в более совершенное состояние. Это противоречит опыту, который показывает, что с ростом степени деформации искажение решетки не уменьшается, а, наоборот, растет, следовательно, увеличивается и плотность дислокаций. Поэтому в настоящее время принято считать, что дислокации, обусловливающие пластическую деформацию, генерируются в процессе самого сдвигообразования под действием внешней силы, приложенной к кристаллу.