5. Механизмы пластической деформации

Как известно, процесс пластической деформации кристаллов осуществляется путем зарождения, взаимодействия и аннигиляции дислокаций, т.е. носит так называемый дислокационный механизм.

Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации. Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.

Когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.

Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации).

Механизм образования дислокаций в процессе деформации был открыт в 1950г. учеными – Франком и Ридом. Пусть дислокация, расположенная в плоскости скольжения, оказывается закрепленной в двух точках. Такое закрепление может быть при пересечении данной дислокации с другими дислокациями, на чужеродных атомах и т.д.

Под действием возрастающего напряжения τ дислокация выгибается, пока не примет форму полусферы. В этот момент напряжение τ имеет наибольшее значение. Дальнейшее распространение дислокации происходит самопроизвольно путем образования двух спиралей. Встреча спиралей приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и нового участка дислокаций, занимающего исходную позицию. Наружная замкнутая дислокационная петля разрастается до внешней поверхности кристалла, что приводит к элементарному сдвигу. Если напряжение τ продолжает действовать, то из одного источника могут образоваться сотни дислокаций. Образование дислокаций может прекратиться в том случае, когда на пути развивающейся петли дислокаций встретятся те или другие препятствия.

В результате деформации количество дислокаций увеличивается, и их плотность при высокой степени деформации достигает 10¹² см^-2 вместо 10⁶–10⁸ см^-2 в недеформированном металле.

Дислокации в нанокристаллических материалах не могут играть такой большой роли в механиче­ском поведении, как в крупнозернистых материалах по нескольким причинам.

Малые размеры зерна d блокируют работу дислокационных источников, начиная с d < 10 нм. В более крупных зернах малое возможное число дислока­ций не позволяет образовывать значительные скопления, обеспечивающие по­вышение напряжений вблизи головной дислокации, застопорившейся на круп­ном препятствии, и последующий прорыв скопления через него. Критическое равновесное расстояние между одноименными дислокациями в скоплении - то­го же порядка, что и критический размер источника Франка-Рида l_с ~ Gb/τ. При максимально возможных напряжениях (τ = 0,1G) l_c = 10b, так что при d = 5... 10 нм в зерне не может находиться больше одной-двух дислокаций.

 Большое число толстых разрыхленных границ в нанокристаллических материалах облегчает диффу­зионные механизмы пластичности, проскальзывание и поворот зерен друг относительно друга, в результате чего они становятся конкурентоспособными по отношению к дислокационным модам при d < 50... 100 нм.

Частичная релаксация и аннигиляция межзеренных границ под нагрузкой способствуют образованию зерен, вытянутых в направлении действующих на­пряжений, что может внести свой вклад в деформацию. Для крупнокристаллических ГЦК-металлов типично понижение вероят­ности двойникования при уменьшении размеров зерна и скорости деформиро­вания и увеличении энергии дефекта упаковки и температуры. Это приводит к доминированию скольжения при квазистатическом испытании. Однако в облас­ти d < 100 нм снова начинает наблюдаться деформация двойникованием. Этот неожиданный эффект не находит пока исчерпывающего объяснения. Тем не ме­нее его уже полезно используют.

Можно отметить, что общей тенденцией при уменьшении размеров зерна в нанокристаллических материалах является смена преимущественно дислокационных механизмов пластичности на преимущественно недислокационные, особенно ярко выраженные в ГЦК-металлах (рис. 10). При этом возрастает роль точечных дефектов, поворотов и проскальзывания зерен, а в некоторых случаях–и двойникования.

Рис. 10 Схематическое изображение роли отдельных механизмов деформации и ее изменения по мере уменьшения размеров зерна в ГЦК-металлах.