Меню

Какие факторы строения реальных кристаллов вызывают пластические деформации при напряжениях меньших

ПЛАСТИ́ЧНОСТЬ КРИСТА́ЛЛОВ

ПЛАСТИ́ЧНОСТЬ КРИСТА́ЛЛОВ, спо­соб­ность кри­стал­лов пре­тер­пе­вать под дей­ст­ви­ем внеш­них сил пла­стические (не­об­ра­ти­мые) де­фор­ма­ции при со­хра­не­нии кри­стал­лич. ре­шёт­ки. При пла­стич. де­фор­ма­ции про­ис­хо­дят сдви­ги по не­ко­то­рым кри­стал­ло­гра­фич. плос­ко­стям в ре­зуль­та­те пе­ре­ме­ще­ния в них ли­ней­ных де­фек­тов ре­шёт­ки – дис­ло­ка­ций. Пе­ре­ме­ще­ние оди­ноч­ных дис­ло­ка­ций при­во­дит к сколь­же­нию од­ной час­ти кри­стал­ла от­но­си­тель­но дру­гой, а кол­лек­тив­ное дви­же­ние групп дис­ло­ка­ций – к двой­ни­ко­ва­нию (пе­ре­строй­ке не­ко­то­ро­го объ­ё­ма с по­во­ро­том ре­шёт­ки в по­ло­же­ние, зер­каль­но сим­мет­рич­ное по от­но­ше­нию к ос­таль­но­му объ­ё­му). Для об­щей по­тери ус­той­чи­во­сти всей ре­шёт­ки (амор­фи­за­ции) не­об­хо­ди­мо ме­ха­нич. на­пря­же­ние $σ≈0,1E$ ($E$ – мо­дуль Юн­га), для пла­стич. де­фор­ма­ции двой­ни­ко­ва­ни­ем дос­та­точ­но $σ≈10^<–2>E$. Сколь­же­ние на­чи­на­ет­ся при дос­ти­же­нии пре­де­ла те­ку­че­сти $σ_s∼(10^<-4>-10^<-2>)Е$.

Пла­стич. те­че­ние опи­сы­ва­ет­ся диа­грам­мой де­фор­ма­ции $σ(ε)$ – за­ви­си­мо­стью на­пря­же­ния от от­но­сит. уд­ли­не­ния $ε=ΔL/L_0$ ($ΔL$ – при­ра­ще­ние дли­ны по от­но­ше­нию к на­чаль­ной дли­не об­раз­ца $L_0$). Обыч­но име­ет ме­сто де­фор­ма­ци­он­ное уп­роч­не­ние – рост со­про­тив­ле­ния сколь­же­нию по ме­ре де­фор­ма­ции. Этот рост (ино­гда в неск. раз) про­ис­хо­дит вслед­ст­вие раз­мно­же­ния и на­ко­п­ле­ния дис­ло­ка­ций, взаи­мо­дей­ст­вие ко­то­рых тор­мо­зит сколь­же­ние. С ус­лож­не­ни­ем сис­те­мы дис­ло­ка­ций в кри­стал­ле по­яв­ля­ют­ся оча­ги не­ус­той­чи­во­сти и раз­ру­ше­ния. Ме­рой пла­стич­но­сти слу­жит от­но­сит. уд­ли­не­ние до раз­ру­ше­ния $δ$. Вяз­кость раз­ру­ше­ния кри­стал­лич. ма­те­риа­лов в кон­ст­рук­ции (по­гло­ще­ние энер­гии рас­ту­щей тре­щи­ной) обес­пе­чи­ва­ют ма­лые ме­ст­ные пла­стич. де­фор­ма­ции, раз­гру­жаю­щие кром­ку тре­щи­ны.

Со­про­тив­ле­ние сколь­же­нию за­ви­сит от ти­па меж­атом­ной свя­зи. В ко­ва­лент­ных кри­стал­лах (ал­маз, крем­ний, со­еди­не­ния ме­талл–не­ме­талл) пре­дел те­ку­че­сти $σ_s≈10^<–2>E$, уп­роч­не­ние сла­бое и уд­ли­не­ние до раз­ру­ше­ния $δ≈1%$. В ион­ных кри­стал­лах со­лей, напр. $\ce$, и в ин­тер­ме­тал­ли­дах пре­дел те­ку­че­сти $σ_s≈(10^<–3>–10^<–2>)E$ и уд­ли­не­ние до раз­ру­ше­ния $δ≈1-10$%. В ме­тал­лах пре­дел те­ку­че­сти $σ_s≈(10^<–4>–10^<–3>)E$ и уд­ли­не­ние $δ≈10–50$%. При лю­бом ти­пе свя­зи без­дис­ло­ка­ци­он­ные ни­те­вид­ные на­нок­ри­стал­лы вы­дер­жи­ва­ют на­пря­же­ния до $σ≈0,1E$ без пла­стич. де­фор­ма­ции, но раз­ру­ша­ют­ся при уд­ли­не­ни­ях $δ\lt 1$%.

В по­ли­кри­стал­лах, со­стоя­щих из мн. зё­рен с разл. ори­ен­ти­ров­кой кри­стал­лич. ре­шёт­ки, эле­мен­тар­ные про­цес­сы де­фор­ма­ции та­кие же, как и в мо­но­кри­стал­ле. Но гра­ни­цы зер­на ог­ра­ни­чи­ва­ют про­бег дис­ло­ка­ций, так что их на­ко­п­ле­ние по ме­ре де­фор­ма­ции ин­тен­сив­нее и уп­роч­не­ние вы­ше. При этом де­фор­ма­ция до раз­ру­ше­ния обыч­но мень­ше, чем в мо­но­кри­стал­ле. Объ­ём­ные на­нок­ри­стал­лы с зер­ном ме­нее 0,1 мкм ма­лопла­стич­ны, т. к. для не­ко­то­рых про­цес­сов пла­стич. те­че­ния объ­ём зер­на не­дос­та­то­чен.

Из­ме­не­ние фор­мы кри­стал­ла при об­ра­бот­ке дав­ле­ни­ем тре­бу­ет боль­ших пла­стич. де­фор­ма­ций: ε≈10–100%. При этом раз­ру­ше­ние пре­дот­вра­ща­ют пу­тём де­фор­ма­ции с на­ло­же­ни­ем сжа­тия. Так, вы­со­ко­проч­ную сталь­ную про­во­ло­ку по­лу­ча­ют во­ло­че­ни­ем, по­вто­ряя де­фор­мации до сум­мар­но­го уд­ли­не­ния бо­лее 1000%. Для уп­роч­не­ния без из­ме­не­ния фор­мы мно­го­крат­но при­ме­ня­ют по­пе­ре­мен­но на­прав­лен­ную боль­шую де­фор­ма­цию (все­сто­рон­няя ков­ка, рав­но­ка­наль­ное уг­ло­вое прес­со­ва­ние).

Пре­дел те­ку­че­сти и диа­грам­ма де­фор­ма­ции $σ(ε)$ за­ви­сят от сход­ст­вен­ной (го­мо­ло­ги­че­ской) темп-ры $T/T_<пл>$ – от­но­шения темп-ры де­фор­ма­ции $T$ к темп-ре плав­ле­ния $T_<пл>$. Ни­же темп-ры рек­ри­стал­ли­за­ции (ок. 0,4$T_<пл>$) темп-ра и ско­рость де­фор­ма­ции ма­ло из­ме­ня­ют диа­грам­му де­фор­ма­ции. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ют ме­тал­лы с объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ку­бич. ре­шёт­кой – Fe, Cr, Mo, W и др., где с ох­ла­ж­де­ни­ем от 0,3$T_<пл>$ до 4–77 К пре­дел те­ку­че­сти воз­рас­та­ет в неск. раз. В та­ких ме­тал­лах про­яв­ля­ет­ся хлад­но­лом­кость – рез­кое па­де­ние пла­стич­но­сти ни­же не­ко­то­рой темп-ры (по­ро­га хлад­но­лом­ко­сти).

Вы­ше темп-ры рек­ри­стал­ли­за­ции пре­дел те­ку­че­сти лю­бых кри­стал­лов сни­жа­ет­ся (в неск. раз при по­вы­ше­нии темп-ры до $T_<пл>$), уп­роч­не­ние умень­ша­ет­ся, де­фор­ма­ция до раз­ру­ше­ния обыч­но воз­рас­та­ет и про­яв­ля­ет­ся пол­зу­честь – мед­лен­ное не­пре­рыв­ное уд­ли­не­ние под не­из­мен­ной на­груз­кой. Пер­во­при­чи­ной яв­ля­ет­ся раз­у­проч­не­ние: дис­ло­ка­ции про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка вза­им­но унич­то­жа­ют­ся, ко­гда по­лу­ча­ют для пе­ре­ме­ще­ний но­вые сте­пе­ни сво­бо­ды (с уча­сти­ем тер­ми­че­ски ак­ти­ви­руе­мо­го по­гло­ще­ния – ис­пус­ка­ния ва­кан­сий).

Читайте также:  Регулятор напряжения ниссан тиида

В не­ко­то­ром уз­ком диа­па­зо­не «темп-ра – на­пря­же­ние – ско­рость де­фор­ма­ции» мож­но точ­но урав­но­ве­сить раз­мно­же­ние и ан­ни­ги­ля­цию дис­ло­ка­ций, а так­же вы­тяж­ку и ок­руг­ле­ние кон­ту­ров зер­на за счёт ми­гра­ции гра­ниц. Так реа­ли­зу­ет­ся сверх­пла­стич­ность – мед­лен­ное те­че­ние по­ли­кри­стал­ла до уд­ли­не­ний ⩾1000% при не­из­мен­ной дис­ло­ка­ци­он­ной и зё­рен­ной струк­ту­ре, без уп­роч­не­ния.

Для раз­ных ус­ло­вий ра­бо­ты ка­ж­до­го ма­те­риа­ла есть свои оп­ти­маль­ные со­че­та­ния проч­но­сти и пла­стич­но­сти. Пла­стич­ность и диа­грам­ма де­фор­ма­ции кри­стал­лич. ма­те­риа­лов оп­ре­де­ля­ют­ся их хи­мич. и фа­зо­вым со­ста­вом, зё­рен­ной и дис­ло­ка­ци­он­ной струк­ту­рой. Для воз­дей­ст­вия на них ис­поль­зу­ют мно­го­об­раз­ные приё­мы ле­ги­ро­ва­ния, тер­ми­че­ской об­ра­бот­ки и тер­мо­ме­ха­ни­че­ской об­ра­бот­ки.

Источник

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ РЕАЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ

При приложении касательных напряжений к реальным кри­сталлам одна часть кристалла не скользит по другой подобно движению твердого тела’. Скольжение начинается в точке де­фекта в кристалле и распространяется при значительно меньшем напряжении сдвига, чем при одновременном скольжении какого-либо целого блока атомов. Этот процесс представляет собой рас­пространение дефекта в форме дислокаций и требует величины напряжений такого же порядка, которые наблюдаются в обычных металлах, т. е. порядка на 10 2 меньше тех, которые требуются для одновременного сдвига по всему сечению жесткого тела.

Орован (по данным Шоу [19]) сравнивает механизм пере­мещения дислокаций с передвижением земляного червя. Дру­гое удачное сравнение дает Гильман [10], который рас­сматривает этот процесс как аналогичный процессу передвижения ковра по полу. Проще всего передвинуть сначала только один конец ковра, под­няв его и положив на новое место, одновременно образуя небольшой «горб» на этом кон­це ковра. Теперь легко пере­местить горб вдоль ковра, и когда горб исчезнет на другом конце, весь ковер передвинет­ся в новое положение. Ясно, что сила, требующаяся для этой операции, будет состав­лять только небольшую долю от той, которая потребовалась бы для одновременного пере­движения всего ковра. Частич­ное скольжение внутри одного зерна аналогично частичному скольжению ковра, и сила, требующаяся для пластиче­ской деформации в кристалли­ческих материалах, значитель­но снижается.

Когда кристалл деформи­руется в результате движения дислокации, существует опре­деленная граница между той частью кристалла, которая де­формировалась, и той, которая не деформировалась. Эта граничная линия называется ди­слокационной линией. На рис.1.4 показаны два типа дислока­ций, краевая и винтовая, и соответствующие им виды дефор­мации.

Рис.1.5. Пластическая деформация, вызванная краевой (а) и винтовой (б) дислокациями

На рис.1.5, а показана краевая дислокация в процессе ее перемещения по кристаллу. Движение происходит в направлении стрелки, и на рисунке показано закончившееся смещение на ле­вом крае кристалла. Общее перемещение одной части кристалла относительно другой всегда кратно междуатомному расстоянию b. Сама краевая дислокация вызвана дополнительным рядом атомов в верхнем блоке кристалла, как это показано на рис. 1.5. а. Деформация всегда происходит под прямыми углами к краевой дислокации, а соответ­ствующая ей трансляция по ве­личине и направлению определя­ется вектором Бюргерса.

Винтовая дислокациянарис.1.5,б также вызывает трансляцию верхней части кристалла в направлении стрелки, но дисло­кационная линия теперь лежит параллельно этому направлению

. Таким образом, для винтовых дислокаций вектор Бюргерса па­раллелен линии винтовой дислокации.

Существует большое различие в поведении двух типов дислокаций. Краевая дислокация может скользить только по плоскости, в которой лежит дислокационная линия. Винтовая же дислока­ция может скользить по любой плоскости.

Рис. 1.6. Искажение кристалла, вызванное краевой и винтовой дислокациями

Рис. 1.7.Пластическая деформация кристалла при наличии криволинейной

Читайте также:  Напряжение хорошо заряженного аккумулятора какое

дислокационной линии, По данным Гильмана:

а–начало движения дислокации; б – дислокационная линия располагается по всей плоскости скольжения;

в –трансляция верней части кристалла завершена.

1 –дислокационная лини; 2 – возникновение дислокации; 3 – вектор смещения Бюргерса; 4 –винтовая ориентация;

5 – краевая ориентация

На рис. 1.7 показано искажение кристалла, в котором одно­временно присутствуют винтовая и краевая дислокации, а на рис. 1.7 — развитие такого сочетания дислокаций. Момент воз­никновения криволинейной дислокационной линии виден на рис. 1.7, а. На рис. 1.7, б показано, каким образом пластическая деформация распространяется в кристалле, а на рис. 1,7, в —окончательное ее перемещение в направлении оси Z в результа­те распространения криволинейной дислокационной линии на всем протяжении кристалла.

окончательное ее перемещение в направлении оси Z в результа­те распространения криволинейной дислокационной линии на всем протяжении кристалла.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ

Рис.1.8. Распространение и размножение дислокаций в соответствии с механизмом

Источник



Строение реальных кристаллов

Реальный кристалл металла всегда отличается своим строением от идеального. Это зависит от условий кристаллизации, в результате которой может искажаться внешняя его форма. Дефекты строения подразделяются по геометрическим признакам, а именно по характеру их измерения в пространстве, на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты – это нарушения периодичности кристаллической решетки. Размеры их во всех направлениях сопоставимы с таковыми для атомов. К ним относятся: вакансии – свободные узлы в кристаллической решетке, межузельные элементы – те, которые располагаются вне узлов решетки (рис. 1.9).

Рис. 1.9 — Типы точечных дефектов решеток

Эти искажения называют соответственно дефектами Шоттки и Френкеля. Примесные атомыпримеси замещения и внедрения. Это ядерные остовы, которые способны замещать таковые в основном металле или внедряться в свободные места (поры или междоузлия). Вакансии образуются в результате выхода ядерного остова из узла на поверхность кристалла. Дефекты Френкеля возникают вследствие трансформации ядра из равновесного положения в междоузлие. Эти искажения формируются в основном при изменении температуры и называются тепловыми вакансиями. Они вызывают местное модифицирование решетки кристалла и влияют на электропроводность и магнитные свойства металла, а также на их фазовые превращения.

Линейные несовершенства весьма малы в двух измерениях, например, по поперечным осям, т. е. не превышают расстояний между катионами, но в третьем достигают достаточно больших размеров, которые соизмеримы с длиной кристалла. Сюда входят цепочки вакансий, межузельных ядер и дислокации.

Последние являются особым и важным видом линейных дефектов. Дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение ионных плоскостей кристалла. Впервые представления о дислокациях были введены в 1934 году физиками Орованом, Поляни и Тейлором. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.10 и 1.11).

Краевая дислокация — локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное появлением или наличием в ней неполной или лишней плоскости ядер, называемой экстраплоскостью (АВСD, рис. 1.10, а).

Рис. 1.10. Краевые дислокации: а сдвиг, создавший дислокацию; б – пространственнаясхема

Винтовую дислокацию определяют как сдвиг одной части кристалла относительно другой. Такое смещение нарушает параллельность слоев атомов в кристаллической решетке. При этом кристалл превращается как бы в одну плоскость, закрученную по винту вокруг линии, являющейся границей между частями плоскости, где сдвиг уже произошел и где еще не начинался (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Пространственная модель образования винтовой дислокации в результате неполного сдвига по плоскостям (a) и расположение ядерных остовов в ее области (б)

Читайте также:  Диапазон напряжения питания холодильника

Обе дислокации консервативны, но винтовая не связана с одной какой-то определенной плоскостью, она перемещается по любой из них, проходящей через линию дислокации. Возможно образование частичных и смешанных дислокаций. Формирование их повышает энергию кристалла.

Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций r — суммарная длина всех ее линий в единице объема r = ål/v см -2 . Ее можно определить и как число дислокаций, пересекающих единицу площади. Плотность дислокации зависит от состояния металла. В монокристаллах она равна 10 3 — 10 6 см -2 , в отожженных поликристаллических металлах r = 10 7 — 10 8 см -2 , после холодной деформации ее значение увеличивается до 10 11 — 10 12 см -2 .

В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокации, т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см 2 , составляет 103 — 104 в наиболее совершенных монокристаллах до 1012 в сильно деформированных металлах. Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокации при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на концах, которые под действием напряжений могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться.

Поверхностные искажения – нарушения в кристаллической решетке по поперечным плоскостям и связям, т. е. в двух направлениях наблюдается большая протяженность кристаллов, а длина очень маленькая. Это дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхностные кристаллы.

Дефекты упаковки – локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.

Двойникование – образование двойников, симметричная переориентация областей решетки. Обычно она осуществляется в том случае, когда затруднена деформация путем движения дислокаций.

Объемные дефекты – искажения решетки во всех трех ее направлениях. Это трещины, поры и др.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение металлов по Ломоносову, Майеру и современное.

2. На какие две группы подразделяют металлы по окраске? Перечислите металлы входящие в них.

3. Приведите классификацию цветных металлов по некоторым их физико-механическим параметрам.

4. Что такое кристаллическое строение вещества?

5. Какие кристаллические решетки характерны для металлов?

6. Что называется периодом и координационным числом кристаллической решетки?

7. Сколько ядерных остовов приходится на элементарную ячейку гранецентрированной, объемноцентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решетки?

8. Напишите кристаллографическое обозначение плоскостей куба и индексы их направления

9. Что такое полиморфное превращение, какие условия необходимы для его протекания и как оно осуществляется?

10. Какие Вы знаете дефекты кристаллической решетки?

11. Что такое дислокации? Чем отличаются ее разновидности друг от друга и как они влияют на свойства металла?

12. Какие Вы знаете поверхностные несовершенства в поликристалле?

Источник