1.1.5 Деформация монокристаллов.

Ч ерез какой-либо атом пространственной решетки можно провести бесчисленное количество плоскостей. В зависимости от направления плоскости на нее попадает большее или меньшее количество атомов. Есть плоскости, на которые попадает наибольшее количество атомов

Рис. Расположение плоскостей сдвига в кристаллических решетках металлов.

а) ГЦК б) ОЦК в) гексагональная

По таким плоскостям легче всего осуществляется сдвиг одной части кристалла относительно другой, поэтому они называются плоскостями сдвига. Направление сдвига совпадает с линиями на плоскости сдвига, по которым расстояние между атомами кристаллической решетки минимальны.

Многочисленные опыты показали, что деформация монокристаллов осуществляется в основном путем скольжения и двойникования. При скольжении отдельные части кристаллов сдвигаются она относительно другой по взаимно параллельным плоскостям. Сдвиги по плоскостям скольжения внутри монокристаллов можно увидеть рассматривая микроструктуру деформированного металла под микроскопом. При малой пластической деформации линии скольжения можно обнаружить визуально на поверхности деформируемого металла. Для этого надо отполировать поверхность образца и подвергнуть его растяжению. При достижении предела текучести поверхность становится матовой и на ней появляются линии скольжения, расположенные под углом 45⁰ к направлению действующей силы и пересекающиеся под углом 90⁰.

Линии скольжения на поверхности растянутого образца.

В торым способом необратимого изменения формы монокристалла является двойникование. Двойникование заключается в повороте решетки относительно оси, лежащей в некоторой плоскости (плоскости двойникования). В результате поворота получается зеркальное отображение одной части кристалла относительно другой.

Рис. Схематическое изображения скольжения (б) и двойникования (в); а)- начальное состояние. Для сравнения механизма скольжения и двойникования на рисунке представлено схематическое изображение движения узлов решетки при этих процессах: а – при скольжении, б – двойниковании.

Рис. Схема движения узлов решетки. Из схем видно, что при скольжении углы между атомными плоскостями решетки остаются неизменными по отношению к координатным осям, а происходит только смещение отдельных частей кристаллов.

При двойниковании узлы атомной решетки в одной части кристалла сохраняют неизменное положение, а в другой части узлы перебрасываются на некоторый угол, при этом происходит необратимое изменение формы. Имеются и другие виды деформации кристаллов: межфазовое, межзеренная.

1.1.6 Основные виды дислокаций и их движение при деформации.

Рассмотренное строение с правильным расположением атомов в кристаллической решетки относится к идеальным кристаллам. Реальные кристаллы обладают рядом структурных несовершенств (т.к. дислокации). Дислокацией называется область кристаллической решетки искаженная под влиянием перемещения в ней атомов. Центром дислокации является искаженная часть решетки, в которой отсутствует атом или находится лишний. Дислокации возникают в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки и т.д. Они имеют место преимущественно по границам зерен и блоков.

Как показали специальные расчеты, для одного временного сдвига по всей поверхности скольжения необходимы такие условия, которые в десятки раз превышают силы в реальных процессах. Сдвиг по плоскости скольжения идет постепенно путем перемещения дислокаций.

К основным видам дислокации относится краевая и винтовая, которые можно представить как результат неполного сдвига одной части кристалла относительно другой.

На рисунке 1 показан правильный кристалл с кубическими элементарными ячейками. На рисунке 2 правая часть этого кристалла сдвинута на одно межатомное расстояние по горизонтальной плоскости (в), но сдвиг не распространился на всю плоскость и поэтому левая часть осталась без изменений.

Рисунок 1. Без дислокации Рисунок 2. Краевая дислокация.

В результате сдвига в верхней части образовалась лишняя плоскость (1), которая прерывается внутри кристалла на плоскости сдвига и называется экстраплоскостью. Нижний край экстраплоскости является дислокацией правого типа. По мере удаления от дислокации искажения решетки быстро ослабевает и восстанавливается ее правильность.

Если экстраплоскость расположена над плоскостью скольжения, то это дислокация положительная и обозначается знаком _|_, если наоборот, то дислокация отрицательная и обозначается T. Поэтому знак дислокации зависит от ориентировки кристалла. При встрече две дислокации одного знака взаимно отталкиваются, а две дислокации с разными знаками взаимно уничтожаются. И то и другое приводит к возрастанию касательного напряжения, необходимого для дальнейшего сдвига.

Перемещение дислокации влево до грани кристалла приведет к сдвигу на одно межатомное расстояние по всей плоскости, сравнительно небольшими усилиями и это не нарушит решетки. При выходе дислокации на свободную поверхность кристалла образуется ступенька. Если граница кристалла не свободна, а соприкасается с другим кристаллом или блоком (часть кристалла), то дислокация задерживается. Образующееся по это причине скопление дислокаций препятствует сдвигу и повышает сопротивление деформации.

На рисунке 3 верхняя передняя часть кристалла сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние, а задняя часть осталась недеформированной. Возникающее при этом искажение решетки окружающие ось дислокации образуют винтовую дислокацию. Ось винтовой дислокации совпадает с направление сдвига и скольжение дислокации возможно по любой плоскости, на которой лежит ось дислокации. Перемещение винтовой дислокации до задней грани кристалла приведет к образованию ступенек сдвига по всей ширине правой и левой граней кристалла.

Винтовые дислокации разделяются на правые, закручивающиеся по часовой стрелке, и левые, закручивающиеся против часовой стрелки.

Под действием напряжением одного знака правая и левая дислокация движутся в разные стороны. При встрече правой и левой дислокаций они взаимно уничтожаются.

И так процесс скольжения осуществляется вследствие перемещения дислокаций в плоскости скольжения. При наличии дислокаций перемещение отдельных групп атомов в новое положение равновесия происходит меньшими напряжениями, чем при отсутствии дислокаций.

При пластической деформации под действием внешних сил дислокации легко перемещаются. Пластическая деформация является результатом движения дислокаций. Если сравнить по количеству дефектов (дислокаций) металл, прошедший обработку давлением и непрошедший, то можно отметить, что число дислокаций в металле до обработки достигает 10⁷ – 10⁸ дисл/см², а после пластической деформации 10¹² дисл/см², их количество резко возрастает.

Эти несовершенства в кристаллическом строении определяют реальные свойства металлов и сплавов, а также их поведение в процессе пластической деформации, термической обработки, а также влияет на прочность металла. Наибольшей прочностью будут обладать кристаллы, в которых вообще нет дислокаций.