1.3. Дислокации и упругопластическое деформирование

Дислокации в кристаллах, представляющие собой один из наиболее важных типов дефектов, тесно связаны с механическим поведением твердых кристаллических тел и играют важную роль в понимании процессов деформирования и разрушения твердых тел.

Во-первых, существование физических дислокаций в кристаллах дает возможность понять, как может начинаться разрушение и каким образом идет процесс пластической релаксации при наличии в теле трещин и микродефектов различной природы.

Во-вторых, понятие дислокации позволяет описать пластическое деформирование рассматриваемой среды и дать математическое представление для формирующихся в ней трещин.

С макроскопической точки зрения пластические деформации можно обнаружить по изменению размеров тела после снятия нагрузки, а также по наличию линий скольжения на поверхности монокристалла. Тип, форма и величина деформаций зависят от геометрии тела, температуры и скорости деформаций. Будет ли тело иметь пластические деформации или нет, зависит от напряжений и свойств материала, а также от возможных ограничений движения, налагаемых нагрузкой и поверхностью тела.

Среда может деформироваться однородно и неоднородно, что сказывается на распределении напряжений, тогда как поле напряжений определяется геометрией тела и способом приложения нагрузки.

В поликристаллической среде неоднородные пластические деформации также проявляются в виде линий скольжения, которые видны на поверхности тела и располагаются в плоскостях наибольших касательных напряжений. В процессе деформирования локализованные области пластических деформаций увеличиваются, образуя новые области, пока тело полностью не перейдет в пластическое состояние.

С микроскопической точки зрения пластическое деформирование характеризуется возникновением деформаций и разрушением зерен, скольжением по кристаллографическим плоскостям, образованием полос скольжения и двойникованием.

Скольжение является наиболее часто встречающимся типом деформирования (рис.1.14а). Итак, скольжением, или трансляцией, называется смещение одной части кристалла относительно другой по кристаллографическим плоскостям, определенным образом ориентированным в кристалле.

Представим, что наряду со скольжением по одной определенной плоскости происходит скольжение с тем же шагом по всем последующим плоскостям. Тогда возникают деформации сдвига, вследствие чего при некотором значении смещения части кристаллической решетки образуется кристаллическая решетка, зеркально симметричная по отношению к исходной решетке. В этом случае говорят о механическом двойниковании (рис.1.14б). Итак, двойникованием называется процесс смещения части решетки кристалла, в результате которого обе ее части ориентируются симметрично относительно некоторой плоскости. Двойник бесконечно малой толщины (δ→0) формально эквивалентен дефекту упаковки кристаллической решетки.

а б

Рис. 1.14. Схемы деформирования кристалла при скольжении (а) и двойниковании (б):

ПС – плоскость скольжения; ПД – плоскость двойникования

Процесс двойникования происходит при определенных критических касательных напряжениях двойникования. Возрастание скорости деформаций или понижение температуры способствует образованию и распространению двойников. По сравнению со скольжением при обычном статическом и квазистатическом нагружении двойникование занимает второстепенное положение: деформации, возникшие вследствие двойникования, всегда меньше деформаций скольжения. Роль двойникования возрастает, если скольжение невозможно или сильно затруднено, например при высокоскоростном деформировании.

Движение дислокации может прекратиться, если на ее пути встретится другой дефект кристалла, так называемый стопор, для прохождения которого требуется много энергии. Это тот механизм, который сообщает прочность несовершенным кристаллам металла. Кристаллы чистого железа совсем «мягкие», но небольшая концентрация атомов примесей может вызвать достаточное количество дефектов, противостоящих движению дислокаций, образованию развитых плоскостей скольжения и интенсивному пластическому течению материала. Поэтому для получения стали к железу при плавке добавляют немного углерода, который при охлаждении образует в решетке множество микроскопических нарушений. Дислокации уже не могут свободно перемещаться, и металл становится более твердым и прочным.

Итак, механические свойства металлов зависят от плотности дислокаций и особенно от их способности к перемещению и размножению (рис.1.15).