5.5. Формирование структуры при больших деформациях.Образование переориентированных областей и ротационная пластичность

Аналогично переходу от ламинарного течения к турбулентному в жидкостях, при пластической деформации металлов наблюдается переход от дислокационного механизма деформации (когда в основном движутся независимые одиночные дислокации, слабо взаимодействующие друг с другом) к ротационному (движутся коллективные дефекты - дисклинации). Ротационной деформацией будем называть необратимое формоизменение металла или выделенных в нем объемов, происходящее за счет разворотов областей материала и (или) кристаллографических направлений. Результатом ротационной пластичности является образование областей металла, разориентированных относительно остального объема и отделенных от него новой границей типа межзеренной (большеугловой). Области переориентации имеют тенденцию принимать форму пластин, пересекающих сечение образца (особенно это заметно на монокристаллах).

Первое сообщение о наблюдении в кристаллах областей, решетка которых повернута относительно решетки окружающего материала на угол, изменяющийся во время деформации, появилось в 1885 году (О. Лехман) и было названо О. Мюгге в 1898 году полосами сдвига и выделено им как особый механизм деформации. Позднее в англоязычной литературе сложился термин «the kink band», которому в отечественной литературе соответствует понятие «полоса сброса». Явление образования незакономерно переориентированных областей кристалла изучали на многих материалах, металлах и неметаллах, и в разные времена появлялись различные названия этого механизма деформации – «иррациональные двойники» в плоских кристаллах каменной соли (Бриллиантов и Обреимов), «пластинки» при растяжении кристаллов каменной соли (Степанов), «полосы деформации» в α-железе (Баррет, Пфайль).

При пластической деформации могут образовываться:

- области незакономерной переориентации, угол разориентации которых непрерывно меняется;

- области закономерной переориентации (пример - двойники).

Полосы незакономерной переориентации, перечисленные выше, во многом схожи и являются частными случаями сбросообразования. Они зарождаются в неоднородных полях напряжений и на начальных стадиях своего развития располагаются почти перпендикулярно действующим системам скольжения, производя разворот решетки вокруг кристаллографической оси. Эта ось лежит в плоскости скольжения и перпендикулярна направлению скольжения. Полосы зарождаются при различных степенях деформации в кристаллитах с различным типом решетки и при больших деформациях процесс их формирования является основным механизмом деформации.

Примерами образования переориентированных областей при ротационной пластичности являются полосы деформации, которые возникают при относительно небольших степенях деформации, полосы сброса и фрагменты.

Кроме незакономерно переориентированных областей, при пластической деформации могут возникать закономерно переориентированные пластинчатые области, примером которых является двойникование. Рассмотрим эти элементы структуры и некоторые особенности их формирования.

Лекция 14

5.5.1. Полосы скольжения

Полоса скольжения образуется в том случае, когда в кристалле плотность дислокаций ρ₀ мала, а подвижные дислокации практически отсутствуют. Первые несколько дислокаций, зародившись в каком-либо месте с наибольшими локальными напряжениями, будут скользить и размножаться путем двойного поперечного скольжения. В результате появляется область с резко увеличенной плотностью дислокаций, которая называется полосой скольжения (сдвига, деформации). Следствием появления полосы скольжения является локализация скольжения (и пластической деформации) в областях вблизи дефектов, создающих большие перенапряжения, и его постепенное распространение по кристаллу.

Как правило, полосы скольжения зарождаются на внешней поверхности или внутренних границах, где наблюдается наибольшая концентрация напряжений. От места зарождения дислокации скользят по плоскости скольжения и размножаются путем выбросов отрезков дислокаций в параллельные плоскости за счет двойного поперечного скольжения. Соответственно область повышенной концентрации дислокаций – полоса скольжения – растет, распространяясь внутрь кристалла со скоростью v­_ск, и расширяется со скоростью v­_пс (рис. 5.9).

Д

Рис. 5.9. Последовательные стадии образования полосы скольжения (ав)

ислокации одного знака, движущиеся под действием приложенного напряжения к поверхности, выходят на нее и образуют ступеньку (рис. 5.9,а). Дислокации противоположного знака уходят внутрь кристалла, распределяясь вдоль полосы, в основном в головной ее части. Головная часть I (рис. 5.9,в) аналогична дислокационному скоплению, рассредоточенному в нескольких параллельных плоскостях скольжения.

Подвижность группы одноименных дислокаций за счет коллективных эффектов выше, чем подвижность одиночной дислокации. Поэтому скорость роста полосы v­_ск и ее способность преодолевать препятствия гораздо больше, чем у одиночной дислокации. При торможении полосы возникают большие локальные напряжения от заторможенного скопления.

Два боковых слоя II (см. рис. 5.9) сверху и снизу полосы являются переходными областями между центральной зоной III с высокой плотностью дислокаций и исходным кристаллом с низкой плотностью дислокаций. Постепенно плотность дислокаций в слоях II повышается настолько, что свободное движение новых дислокаций и генерация новых петель становятся невозможными. Пластическая деформация в этом слое при напряжении τ прекращается и слой переходит к области III с высокой плотностью неподвижных дислокаций.

В

Рис. 5.10. Последовательные стадии изменения полосы от I–II доI′–II′

о время движения дислокаций в слоеII происходят отдельные выбросы в соседнюю зону , и именно там продолжается движение дислокаций. Внешне это выглядит так, как если бы слоиII переместились в зону с малой плотностью исходных дислокаций, а зона III расширилась, поглотив прежнюю зону II (рис. 5.10).

Расширение полосы приводит к расширению ее головной части I. Это вызывает уменьшение локальных напряжений вблизи головной части. Действительно, в предельном случае очень широкой полосы избыточные дислокации в ее головной части просто выстроятся в стенку, не создающую значительных напряжений. Следовательно, проникающая способность полосы зависит от двух факторов: она увеличивается с притоком новых избыточных дислокаций и уменьшаться с расширением и удлинением полосы. Возможно, что необходимым условием пластической деформации полосами скольжения является наличие высокого сопротивления движению дислокаций.

Отметим, что полоса деформации, включающая объемы I, II, III, имеет кристаллографическую ориентацию, отличную от остального кристалла, и отгорожена четкой границей раздела вдоль области II и II (см. рис. 5.9,в и рис.5.10). За счет высокой локальной плотности дислокаций одного знака в области I могут возникать гигантские напряжения. Подчеркнем еще раз, что полосы скольжения образуются в металлах, когда исходная плотность дислокаций мала, а подвижных дислокаций очень мало. Следовательно, новые границы в металлах могут возникать уже при малых степенях деформации.