Пластична деформація полікристалічних металів

Зсування в кристалічному тілі може здійснюватися двома шляхами: ковзанням та двійникуванням. Процес ковзання розвивається по кристалічних площинах з найбільш щільним розміщенням атомів (по площинах ковзання). Під впливом зовнішніх сил у кристалічному тілі з'являється дотичне (сколювальне) напруження, яке, досягнувши певної критичної величини, викликає пластичну деформацію. У процесі зсування кристали поділяються на окремі частини, які називаються пачками ковзання. Здійснюється переміщення однієї атомної площини відносно іншої. Крім переміщення, спостерігається поворот атомних пачок відносно діючої сили, тобто двійникування. Сліди ковзання видно під мікроскопом на полірованій поверхні деформованого зразка у вигляді тонких прямих паралельних чи хвилястих ліній. Чим більша деформація, тим щільніші лінії ковзання і тим менші розміри пачок (рис. 7.2, а).

Деформації двійникуванням звичайно розвиваються при низьких температурах та великих швидкостях навантаження, коли ковзання утруднено. Під час двійникування, на відміну від ковзання, зсув сусідніх атомних площин здійснюється на величини, які не дорівнюють цілій кратній міжатомній відстані. У кристалах з'являються двійникові смуги (ABCD,див. рис. 7.2, б), в середині яких ґpатки стають дзеркальним відображенням ґpаток сусідніх, недеформованих областей.

Процеси ковзання та двійникування здійснюються шляхом руху дислокації. Величина критичного сколювального напруження значно менша за розрахункову з припущення, що ковзання здійснюється шляхом жорсткого зсуву одночасно всіх атомів по всій площині ковзання. На рис. 7.2, в подано схему, що ілюструє рух лінійної дислокації. Під впливом дотичного напруження в переміщенні бере участь тільки та частина атомів, яка розміщена поблизу дислокації. Вони пеpеміщуються із свого положення на відстань, значно меншу від міжатомної, а екстраплощина дислокації P´Q´ переміщується до положення PQ на відстань, що дорівнює міжатомній. Отже, рух дислокацій здійснюється "естафетним" шляхом. Функції неповної площини під дією дотичного напруження передаються сусіднім площинам до тих пір, поки дислокація не вийде на поверхню кристала. Унаслідок переміщення однієї дислокації через кристал відбувається зсув на одну міжатомну відстань. Переміщення дислокацій на малу відстань не потребує великого напруження, і тому реальний опір зсуву значно менший від теоретичного. Як показали рентгеноструктурні дослідження, у процесі пластичної деформації атомно-кристалічні ґратки не руйнуються, а тільки спотворюються. Це обумовлено пеpеміщенням окремих атомів з їх нормальних положень, утворенням дислокацій та вакантних вузлів і т. ін.

Рис. 7.2. Лінії ковзання і двійники на повеpхні зеpен (а), схема двійникування при пластичній дефоpмації (б) та схема пеpеміщення атомів під час pуху лінійної дислокації (в)

Пластична деформація в полікристалічному тілі починається при більших напруженнях, ніж у монокристалі; різне орієнтування зерен і порушення в атомній будові примежових шарів утруднюють процес ковзання. При пластичній деформації площини ковзання повертаються, зерна витягуються в напрямку діючої сили. Структура стає волокнистою.

Якщо до деформації зерна мали різне орієнтування у просторі, то після значної деформації з`являється переважне орієнтування зерен, обумовлене пластичною деформацією. Це називається текстурою деформації. Деформований метал за наявності текстури має в різних напрямках різні механічні та фізичні властивості, тобто стає анізотропним.

Пpи збільшенні величини пластичної деформації опір зсуву, що характеризується властивостями міцності (твердістю, гpаницями пружності, плинності та міцності), підвищується, а здатність до пластичної деформації (відносне подовження та поперечне звуження) знижується (рис. 7.3, а).

Рис. 7.3. Вплив холодної пластичної дефоpмації (а) та відпалу (б) на стpуктуpу і властивості металу

Явище зміцнення металів, що відбувається при пластичній деформації, називається наклепом. Особливо інтенсивно властивості міцності підвищуються на початкових стадіях деформування. При великих значеннях деформації настає "насичення", тобто властивості міцності практично не підвищуються, здатність до пластичної деформації втрачається, починається процес руйнування. При деформації щільність дислокацій збільшується. Накопичення їх відбувається на гpаницях зерен, блоків та включень. Утворюються "сидячі" (закріплені) дислокації у кристалічних площинах, по яких не може здійснюватися ковзання. Виникає перехpещування дислокацій, що приводить до полігонізації стpуктуpи: формування комірчастої структури при взаємодії дислокацій з утворенням дислокаційних стінок. Збільшення щільності дислокацій є основною причиною підвищення властивостей міцності. Вважається, що зміцнення досягає насичення при щільності дислокацій, яка дорівнює 10¹² см^–2. Здрібнення блоків мозаїчної стpуктуpи зерен, збільшення кута дезорієнтації між ними та напруження другого роду, що відбувається при деформації, також є причинами наклепу. Пластична деформація викликає зміни фізичних властивостей металу: підвищуються електроопір і коерцитивна сила, збільшується питомий об'єм, зменшується теплопровідність.