5.5.3. Фрагментация

Фрагментация в металлах заключается в разбиении зерна в поликристаллическом металле или монокристалла на взаимно разориентированные области в ходе пластиче­ской деформации. Разориентированные области имеют мезоскопические размеры

l_fr=l_sub=1÷0.2 мкм.

Углы разориентаций между фрагментами зависят от степени деформа­ции и достигают десятков градусов, границы представляют собой или малоугловые дислокационные стенки и сетки, или границы зерен деформационного происхождения. Отличие фрагментов от полос сброса состоит в том, что фрагменты представляют собой микро- или нанообъемы металла, ограниченные со всех сторон границами деформационного происхождения. Фактически фрагментация − это разделение исходных отдельных зерен на более мелкие, минимальный размер которых составляет 100÷250 нм. Размер фрагментов уменьшается с увеличением степени деформации, а границы раздела между ними при этом совершенствуются.

Механизмы фрагментации схожи с механизмами сбросообразования. Это явление проявляется на фоне сформированной ячеистой структуры при деформации 0,10,3.

При небольших деформациях 0,15 ячейки неоднородны по величине, но =0,15 мкм, рис. 5.18. Границы ячеек широкие и состоят из хаотически переплетенных дислокаций, _ст210¹⁴ 1/м². Все ячейки разориентированы на угол ~0,2, причем этот угол разориентации сохраняется как для соседних ячеек, так и для расположенных далеко друг от друга. Таким образом, в этот момент кристалл (или зерно) однороден по кристаллографической ориентации с точностью до 0,2.

При увеличении  дисперсия распределения и наиболее вероятный размер ячейки уменьшаются. Размер ячейки асимптотически приближается к 0,2 мкм. Дальнейшая деформация с >0,4 практически не изменяет d. Толщина границ между ячейками (субграниц) также уменьшается. Видно, что при некоторой степени деформации темп сужения границ стабилизируется. Подобная ситуация наблюдается и для плотности дислокаций, см. рис. 5.18.

Рис. 5.18. Зависимость вида плотности распределения вероятности ячеек по площади (а), средней толщины субграницы δ (б), среднего размера ячеек d (в), плотности дислокаций в субграницах ­_гр и в среднем по объему  (г) от степени деформации 

На этой стадии формирования структуры в кристалле появляются крупномасштабные по сравнению с размерами ячеек неоднородности кристаллографической ориентации. Они связаны с образованием границ качественно нового типа. Эти границы располагаются вдоль ранее сформировавшихся границ ячеек и вызывают разориентировку объемов кристаллита, содержащих сотни ячеек, на углы θ>1. Характерной особенностью появляющихся границ является то, что они обрываются внутри кристаллита и группируются, как правило, парами, рис. 5.19,а.

Границы, объединенные парами, вызывают примерно одинаковые, но противоположно направленные развороты. На рис. 5.12 срезом таких парных границ выступают линии АВ и СД, а протяженность этих границ большая в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Как видно, на достаточном удалении от такой пары ориентация кристалла остается неизменной. Такие конфигурации называются дипольными.

Кроме дипольных, встречаются замкнутые петли границ. Они замыкают стержневую область в кристалле, имеющую разориентировку относительно остального объема. Разориентация соседних объемов может изменяться по длине границы. В этом случае для компенсации разворота возникают ответвления от основной границы, которые постепенно «гасятся» между отдельными ячейками (субзернами). По характеру формоизменения можно сказать, что в металле возникают складки. (В теории катастроф подобное изменение формы поверхности обычно описывают математической функцией, которую называют катастрофой I рода или катастрофой складки).

Рис. 5.19. Структура деформированного металла: а  оборванные границы деформационного происхождения	Рис. 5.20. Структура деформированного металла: замкнутая петля границ, ограничивающая стержневую зону

При увеличении степени деформации эти границы объединяются, а при больших деформациях замыкаются. При этом каждое исходное зерно металла оказывается разбитым на отдельные фрагменты, разделенные границами, мало отличающимися от обычных межзеренных границ. Дислокационная пластичность развивается внутри каждого фрагмента, плотность дислокаций растет, достигает критического значения, вслед за чем происходит образование новой границы фрагмента.

Поскольку при перестройке структуры типа «скопление→стенка» происходит уменьшение энергии системы, то образование границы фрагмента можно признать релаксационным актом, который на диаграмме  сопровождается сбросом напряжений, а сама диаграмма приобретает пилообразный вид. Избыток энергии выделяется в окружающую среду в виде теплоты, в связи с чем начало ротационной пластичности можно определить по изменению характера тепловыделений во время пластической деформации.

Приведем примерную классификацию ротационных деформаций в твердых телах по основным параметрам.

1. По масштабу (размеру l_r переориентированных или развернутых областей) можно выделить:

- микроротации с l_r ≈ b;

- мезоскопические ротации с l_r ≈ 0,2÷2 мкм;

- субструктурные и структурные ротации с l_r, равным размеру зерна или группы зерен;

- макроротации с l_r, равным размеру группы зерен или всего тела.

Микроротации для кристаллитов не типичны. Они встречаются, по-видимому, только в сложных элементарных ячейках, например, в полимерах или аморфных материалах и являются для них основным механизмом деформации. Другие масштабы ротаций встречаются в металлах достаточно часто. В зависимости от вида и степени деформации могут наблюдаться повороты на одном или нескольких масштабных уровнях.

2. По величине угла разворота:

а) φ < 1° – малые развороты; б) 1° ≤ φ ≤ 10° - cредние; в) φ > 10° – большие.

Области с малыми разориентациями разделяются обычно друг от друга объемными дислокационными «перегородками» с избытком дислокаций одного знака и высокой плотностью сидячих дислокаций (стенки ячеек, сплетения и т.д.). Границами областей со средними разориентировками являются чаще всего дислокационные стенки, а с большими – границы типа межзеренных.

3. По причинам возникновения следует различать ротации, появившиеся в результате: а) релаксации (ослабления) внутренних моментов сил; б) работы моментов приложенных напряжений; в) дислокационных неустойчивостей; г) анизотропии упругих и пластических свойств материала и неоднородности пластической деформации.

Таким образом, причины, которые могут приводить к ротациям в твердых телах, весьма разнообразны. Отметим, что любые производные от тензора напряжений означают появление крутящих моментов, которые совершают работу на пластических разворотах объемов металла, т.е. ротациях.

Проявлением ротационной деформации является образование областей, кристаллическая решетка которых разориентирована относительно кристаллической решетки основного кристаллита. Области переориентации имеют тенденцию принимать форму пластин, пересекающих сечение образца. Простейшим примером образования таких пластинчатых областей является механическое двойникование. Подробнее о двойниковании см. разд. 5.10.

Основные выводы.

1) Полосы переориентации являются типичными элементами дефектной структуры деформированных кристаллов. Они воз­никают в металлах, ионных кристаллах и других материалах с различным типом кристаллической решетки, при различных режимах нагружения, в широком диапазоне температур и скоростей деформирования.

2) Толщина полос варьируется от масштаба мезоуровня до макроскопических размеров образца. Угол переориентации изменяется от десятков минут до десятков градусов.

3) Развитие полосы переориентации – это быстрый лавино­образный процесс, связанный с перемещением фронта, отделяю­щего область, в которой прошла переориентация, от остального объема материала. Естественными носителями деформации такого рода являются дисклинации, находящиеся на фронте полосы, или эквивалентные им коллективные дислокационные моды.