Глава 5. Формирование структуры деформированных металлов

5.1. Пластическое деформирование моно- и поликристаллов

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под дей­ствием внешних усилий. Деформации подразделяют на упругие и пла­стические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются по­сле окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических — необратимые перемещения атомов на значитель­ные расстояния от исходных положений равновесия.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновре­менно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холод­ном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влия­ние концентраторов напряжений.

5.1.1. Механизм пластического деформирования

Пластическая деформация в кристалле осуществляется путем сдви­га одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое т.

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойниковаиие. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, называемой плоскостью скольжения или сдвига. Двойникование представляет собой перестройку части кри­сталла в новое положение, зеркально симметричное к его не деформирован­ной части. Плоскость зеркальной симметрии называют плос­костью двойникования. При двойниковании атомные плоскости кристалла сдвигаются параллельно плоскости двоиникования на разные расстояния. Часть кристалла, в которой в результате двоиникования произошла пере­ориентация кристаллической решетки, называют двойником деформации. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное зна­чение. Роль двоиникования возрастает, когда скольжение затруднено. В металлах с ОЦК и ГЦК решетками двойникование наблюдается лишь при низких температурах или высоких скоростях деформирования. При нор­мальных условиях в металлах с ГП решеткой деформация развивается как" двойникованием, так и скольжением. Механизм двоиникования сложен и в дальнейшем не рассматривается.

Скольжение развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образует систему скольжения. Число систем скольжения неодинаково в металлах с разным типом решеток. У металлов с ГЦК решеткой (Си, Al, Ni и др.) скольжение идет по плоскостям {111} в направлениях < 110 >. Четыре плоскости скольжения и три направления скольжения в каждой из них образуют 12 эквивалентных систем скольжения.

В металлах с ОЦК решеткой скольжение развивается по плоскостям {НО}, {112} и {123} в направлениях < 111 >. Число систем скольжения в этом случае составляет 48.

У металлов с ГП решеткой при с/а >= 1, 63 (Mg, Zn) скольжение раз­вивается по плоскости базиса, в которой находятся три эквивалентных направления. Эти металлы менее пластичны, чем металлы с ОЦК и ГЦК решетками. Число систем скольжения может возрасти, если уменьшаются критические напряжения сдвига в других плоскостях.

Увеличение количества систем скольжения сопровождается повыше­нием способности металла к пластическому деформированию. В частно­сти, при с/а < 1,63 у циркония и титана скольжение идет по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям, так как значения критических напряжений сдвига в них близки. Поэтому эти металлы более пластичны, чем магний или цинк, у которых скольже­ние идет только по плоскостям базиса.

Элементарный акт сдвига — это смещение одной части кристалла от­носительно другой на одно межатомное расстояние. В идеальном кристалле в скольжении должны одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Для такого синхронного «жесткого» сдвига требуется, как показывают расчеты, критическое касательное на­пряжение (тау)(критич) = G/2пи ~ 0,16C (G — модуль упругости при сдвиге). Ве­личину (тау)(критич) называют теоретической прочностью кристалла. В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуются на­пряжения около 10е-4G, что в 1000 раз меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурным не­совершенством.

Пластическое деформирование в реальных кристаллах осуществляет­ся путем последовательного перемещения дислокаций. Дислокация легко движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее вектор Бюргерса.

Перемещение краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние представляет собой согласованную перегруппировку атомов около дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дисло­кационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоско­сти. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислока­ции, облегчающих разрыв старых и образование новых межатомных свя­зей. При вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на две части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, другая — «принимает» дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь ка­ждый раз на величину вектора Бюргерса — одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь по­явится ступенька, равная вектору Бюргерса. Так как в плоскости сколь­жения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.

Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольже­ния. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располага­ются на различном расстоянии одна от другой. Группы близко располо­женных линий скольжения образуют полосы скольжения.