Кристалдардың пластикалыққа өтуінің негізгі заңдылықтары

 

Егер кристалдағы кернеу аққыштық шегінен артып кетсе, яғни пластикалық кристалдарды созу және сығу арқылы жасалған барлық зерттеулер кезінде қалдық деформация пайда болады. Бірақ та, осындай деформациялардың пайда болу себебі -созу немесе сығу емес.

Кристалды перпендикуляр күшпен жеткілікті дәрежеде созғанда атомдар жазықтықтары арасындағы ара қашықтық артады.

 

2.4 - сурет

 

Осы жазықтықтарды жеткілікті дәрежеде бір-бірінен алыстатқанда олардың арасындағы тартылыс күштері сыртқы жүктемемен тепе-теңдікте бола алмайды да, кристалл бүлінеді. Сығу кезінде атомдық жазықтықтар бір-біріне атомдар арасындағы тебіліс күштері сыртқы жүктемемен теңескенше ғана жақындайды. Бұл жағдайдағы деформация идеал серпімді, ол тордағы бөлшектердің қайтымсыз орын ауыстыруларын тудырмайды.

Пластикалық деформация сырғанаушы кернеудің нәтижесінде пайда болуы мүмкін, ол бөлшектер арасындағы байланыстарда ешқандай өзгерістер болмайтындай етіп, кристалдың бір бөлігіндегі бөлшектердің басқа бөліктермен салыстырғанда орын ауыстыруын тудырады. Осындай ығысу сырғанау деп аталады. Ол кристалдық денелердегі пластикалыққа айналу процесінің негізін береді. 2.4 – суретте кристалдағы ығыстырушы күштің әсерінен қалдық деформацияның пайда болу және дамуы көрсетілген. Серпімділік шегіне жеткенге дейін кристалл серпімді деформацияланады (2.4 а-сурет) және жанама кернеу ығысудың салыстырмалы деформациясына тура пропорционал артады (Гук заңы):

(2.10)

 

Кесте 2.2

 

Металл	Құрамындағы қоспалар	Сырғанау жазықтығы	Сырғанау бағыты
кадмий	0,4	(0001)	[100]	0,058
Магний		(0001	[100]	0,083
Мыс		(111)	[101]	0,1
Никель		(111)	[101]	0,58
Күміс		(111)	[101]	0,06
цинк		(0001)	[100]	0,094

 

(G — ығысу модулі); сыртқы жүктемені алып тастағаннан кейін атомдар өздерінің алғашқы күйіне қайтып келеді. Кристалл ішіндегі серпімділік шегі белгілі сырғанау жазықтықтары деп аталатын 5 жазықтықтар бойында артқанда, кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігіне бір немесе бірнеше атомдық ара қашықтықтарға ығысуы (2.4 в-сурет) болады. Сыртқы жүктемені алып тастағанда торлардың серпімді кернеулері жойылады, бірақ та кристалдың бір бөлігінің екіншісі бөлігімен салыстырғанда ығысуы қалып қалады (2.4 г-сурет). Көптеген сырғанау жазықтықтарында өтіп жатқан осындай өте аз қайтымсыз ығысулардан кристалдың қалдық деформациясы құралады.

Болаттың пластикалық деформацияға ұшырау қабілеті - ең алдымен оның құрылымдық элементтері арасындағы байланыс күштерінің сипатына байланысты.

Қатаң бағытталғандыққа ие коваленттік байланыс атомдардың бір-біріне қатысты кішкене жылжулары кезінің өзінде-ақ бірден әлсірейді. Бұл байланыс ығысу кезінде атомдар көршілес атомдарымен байланысқа түсіп үлгенгенде дейін, жылдам бұзылады. Сондықтан, валенттік типті кристалдар (алмаз, кремний, германий, сурьма, висмут, мырыш және т.б.) пластикалық деформацияға ұшырау қабілеттіліктерін көрсетпейді. Серпімді деформация біткенде, олар морт сынғыш болады.

Бағытталу болмайтын металдық байланыста керісінше, атомдардың бір-біріне қатысты тангенциальды ығысулары өте нашар өзгереді. Сондықтан, тордың бір бөлігінің екінші бөлігіне қатысты ығысу шамасы үлкен (мыңдаған атомдық ара қашықтықтар) болуы мүмкін, бұл кристалдардың пластикалылықтарының жоғары дәрежеде екендігін көрсетеді. Металдық және иондық байланыстар арасында аралық жағдайда тұрған, ол иондық байланыс. Ол коваленттік байланыс сияқты бағытталған емес, бірақ та металдық байланыс сияқты иілгіш те емес. Типтік иондық кристалдар және т.б. валенттік кристалдар тәрізді тез шетінегіш (сынғыш) болып табылады. Ал хлорлы күміс кристалының пластикалылығы жеткілікті дәрежеде жоғары.

Кристалдағы сырғанау белгілі бір кристаллографиялық жазықтықтар мен бағыттар бойында өтеді. Өте тығыз орналастырылған атомдық жазықтықтар мен бағыттар осындай болып келеді. Осындай атомдық жазықтықтар мен бағыттардың беріктігінің жоғары болуы - олардағы атомдар арасындағы ара қашықтықтың өте аздығы және бір-бірімен байланыстың күштілігімен түсіндіріледі. Басқаша айтқанда, осындай жазықтықтар арасындағы ара қашықтық үлкен, осының салдарынан олардың арасындағыы байланыс нашар (1.17 қара). Осы жазықтықтар мен бағыттар бойындағы сырғанау атомдар орналасуларының ең кішкене бұзылулары кезінде өтеді, сондықтан ең жеңіл түрі болып табылады.

 

2.5 – сурет

 

Осы жазықтықта жататын сырғанау жазықтықтары мен сырғанау бағыттарының жиынтығы сырғанау жүйесін құрады. Кубтық қырлы центрленген торда сырғанау жазықтығы октаэдр жазықтығы (111), сырғанау бағыты – кеңістіктік диагональ бағыты болады. Гексагональды кристалдарда сырғанау жазықтығы ретінде базис жазықтығы , сырғанау бағыты ретінде базис жазықтығында жатқан үш осьтің біреуі алынады (2.5 –сурет. - деформациясын тудырушы сыртқы әсер.

Көптеген зерттеулер берілген сырғанау жүйесіндегі кристалдағы ығысу осы жүйедегі сырғанатушы кернеу өзінің критикалық мәні жеткен мезетте басталатынын көрсетті. 2.2 – кестеде кейбір таза металдық монокристалдардың критикалық сырғанатушы кернеулерінің шамалары көрсетілген.

2.2 –кесте мәліметтері бойынша ең пластикалық монокристалдардың критикалық сырғанатушы кернеуінің аспайтыны көрініп тұр. Критикалық сырғанатушы кернеу кристалдың алдын ала (предварительная) деформациялану дәрежесіне байланысты, ол артқан сайын арта түседі. Бұл құбылыс беріктендіру немесе қақталу деп аталады. Мысалы, магний монокристалының алдын-ала есе өсуіне алып келеді. Кубтық жүйедегі кристалдар (алюминий, мыс, никель және т.б.) одан да көп беріктендіруге ұшырайды. Кристалдардың беріктенуі оларда кристалдағы атомдар мен жеке бөліктердің бір-біріне қатысты орын ауыстыруына байланысты болатын қайтымсыз процестердің өтетіндігін көрсетеді, бұл кристалдың ішкі энергиясының өзгеруіне алып келеді. Бұл құбылысты тәжірибе жүзінде зерттеулер пластикалық деформация процесі кезінде қатты денелердің ішкі энергияларының шын мәнінде өсетінін көрсетті. 2.3 –кестеде әртүрлі металдардың деформация процесі кезіндегі энергияларының максималь шамасы келтірілген.

2.3 – кесте

 

Металдар		Металдар
Алюминий		Никель
Мыс		Латунь
Темір

 

Егер бұл энергия жылуға айналатын болса, онда ол металды бірнеше градусқа дейін қыздыруға жетер еді.

Кристалдағы пластикалық деформация процесіндегі энергияның жинақталуы атомдар мен кристалл бөліктерінің бір-біріне қатысты қайтымсыз ығысуларына байланысты, бұл энергия негізінен кристалдық тордың бөліктерінің серпімді сырғанауы кезінде пайда болған қалдық кернеу энергиясы болып табылады.

Суық деформацияланған кристалдың ішкі энергиясының артуы олардың термодинамикалық орнықтылығын азайтады. Бұл кристалда тепе-теңдік күйге келтіруге тырысатын процестердің пайда болуына және жүруіне алып келеді. Осындай процестерге демалыс (отдых) пен рекристализация жатады. Суық деформацияланған кристалдардың ішкі энергиясы оны қақталған күйдегіге қарағанда термодинамикалық орнықтылығын азайтады.

Ығысу болған аймақта орналасқан атомдарды өзінің тепе-теңдік күйіне орналастыру нәтижесінде ішкі кернеулерді біркелкі етіп тарату демалыс деп аталады. Бұл процесс кезінде кристалдың құрылымында айтарлықтай өзгеріс болмайды және пластикалық деформация нәтижесінде пайда болған беріктендіру біраз немесе толығымен жойылады. Диффузиялық процесс болып табылатын демалыс температура мен деформацияның жасырын энергиясына өте тәуелді жылдамдықпен өтеді. Балқу нүктесі төмен металдардың (қорғасын, қалайы, кадмий, цинк және т.б.) тіпті бөлме температурасының өзінде-ақ, өздік деформация жылдамдығы жоғары болады, сондықтан олар біршама жылдамдықпен демалады. Ал осы кезде балқу температурасы жоғары металдардың демалысы бөлме температурасында тіпті болмайды деп алуға болады, бірақ ол температура артқанда бірден тез күшейеді (315⁰С температурада бұл демалыс 1 минут ішінде өтеді, ал бөлме температурасында болса - оның өту уақыты 100 жыл болар еді).

Пластикалық деформация кезінде металдың құрылымы мен механикалық қасиеттерінің артуы бекіту немесе нығайту деп аталады. Нығайту – бұл ығысуға кедергі келтірудің артуы, ол майысу деформациясы кезінде тығыздықтың артуына алып келеді. Шамамен металдың балқу температурасының төрттен біріне тең температурада (абсолют шкалада) басқа процесс қарқынды өтеді, ол - бекітілген кристалдың рекристаллизацияға ұшырау процесі. Рекристаллизация кезінде үлгіде ішкі кернеуге тәуелсіз жаңа кристалдар пайда болады. Бұл кристалдардың центрлері ең алдымен артық еркін энергиялары бар тордың ығысқан аймақтарында туындайды. Сонымен, монокристалдың микроструктурасы толығымен өзгеріп, монокристалл поликристалға ауысады. Деформацияланған кристалда жинақталған жасырын энергия рекристаллизация кезінде жылу түрінде бөлінеді.