Пластическая деформация скольжением

Пластическая деформация скольжением. При этом процессе одна часть кристалла перемещается относительно другой в определенном направлении (направлении скольжения) вдоль определенной плоскости (плоскости скольжения). Деформация скольжением развивается по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу т_кр наименьшее: в наиболее плотноупакованных направлениях — наименьшее расстояние между атомами, а между наиболее плотноупакованными плоскостями — наибольшее межатомное расстояние, т. е. наименьшая сила межатомной связи. Плоскость скольжения и направление скольжения, лежащее в этой плоскости, образуют систему скольжения.

В ГЦК-металлах скольжение идет по плоскостям {111} в направлениях <110>. Поскольку в ГЦК-решетке имеется четыре плоскости типа {111}, а в каждой из них лежит по три направления скольжения типа < 110>, то общее число возможных систем скольжения, которое может принимать участие в скольжении, равно 12. Материалы с ГЦК-решеткой наиболее пластичны.

В ОЦК-решетке направлением скольжения является плотноупакован- ное направление диагонали куба < 111 >, однако при этом возможно существование различных плоскостей скольжения (перечисление плоскостей идет в порядке убывания вероятности скольжения): {ПО}, {112} {123}. Большое число возможных систем скольжения (48) в ОЦК-решегке облегчает переход дислокаций из одной плоскости в другую. Кроме того, ОЦК- металлы обычно имеют высокую энергию дефекта упаковки, и процесс поперечного скольжения дислокаций облегчен. В то же время ОЦК решетка не является плотноупакованной, и в ОЦК-кристаллах для начала скольжения требуются большие сдвиговые напряжения по сравнению с кристаллами, имеющими ГЦК-решетку.

В металлах с ГПУ-решегкой плоскостями скольжения являются наиболее плотноупакованные плоскости базиса {0001}, а направлениями легкого скольжения — <1210>. Если же в гексагональном кристалле отношение с/а < 1,633 (например, в титане), то облегчается скольжение по призматическим {1100} и пирамидальным {0111} плоскостям. ГПУ-металлы менее пластичны, чем металлы с ГЦК- и ОЦК-решетками.

При нагружении образца, имеющего несколько систем возможного скольжения, пластическая деформация, разумеется, начнется в системе, наиболее благоприятно ориентированной относительно направления действующих касательных напряжений. Поскольку пластическая деформация скольжением в кристаллических материалах осуществляется за счет движения дислокаций в определенных плоскостях под действием касательных напряжений, а стандартным способом испытаний является испытание на растяжение с записью диаграммы Р—А/, соответствующей ст—в, необходим пересчет растягивающих напряжений на касательные напряжения, действующие вдоль направления скольжения в плоскости скольжения.

Рис. 8.23. Схема для определения приведенного напряжения сдвига

Рассмотрим рис. 8.23. Пусть к кристаллу с площадью поперечного сечения S приложено растягивающее усилие F, вызывающее растягивающее напряжение о, при этом а = F/S.

Предположим, что скольжение происходит в плоскости S'. Если а — угол между осью растяжения и плоскостью скольжения, то площадь сечения S' равна i’/sin а. Силу растяжения F можно разложить на две составляющие — нормальную F„ и касательную F_x (см. рис. 8.23). Совместим направление касательной составляющей F_t (а соответственно и направление т) с направлением скольжения ОБ. Угол между осью растяжения и направлением скольжения обозначим р. Тогда напряжение сдвига, действующее в плоскости скольжения, приведенное к направлению скольжения, равно

Величину т_п называют приведенным напряжением сдвига.

Также часто используется соотношение

где 0 — угол между осью растяжения и нормалью к плоскости скольжения.

Из полученных для т_п выражений видно, что в случаях, когда ось растяжения параллельна плоскости скольжения (а = 0, а 0 = 90°) или нормальна к этой плоскости (F = F„ F_x = 0; р = 90°), напряжение т_п = 0. Максимальное напряжение сдвига создается, если плоскость скольжения и направление скольжения составляют с осью растяжения угол 45°, 1. е. т_тах 0,5ст.

Отметим, что нормальное напряжение почти не оказывает влияния на пластическую деформацию кристаллов. Пластическая деформация происходит под действием касательных напряжений.

В многочисленных экспериментах показано, что напряжение, соответствующее пределу текучести ст_т, сильно меняется в зависимости от ориентации кристалла. Однако если это напряжение преобразовать в приведенное напряжение сдвига, то результирующее напряжение сдвига (критическое приведенное напряжение сдвига) т_кр будет являться постоянной величиной для данного материала. Оно не зависит от ориентации плоскости скольжения по отношению к приложенной нагрузке.

Например, у меди чистотой 99,999% все системы скольжения {111} <110>, т. е. (111) < 101 >, (111) <011 > и т. п., характеризуются величиной т_кр = 0,35 МПа. Процесс пластической деформации начинается, когда приведенное напряжение сдвига достигает некоторого критического значения т_кр, характерного для данного материала и данной системы скольжения:

где т_кр — критическое приведенное напряжение сдвига; а₀ — начальный угол между осью растяжения и плоскостью скольжения; р₀ — начальный угол между осью растяжения и направлением скольжения.

Записанное выражение представляет собой закон Шмида—Боаса, а произведение sin а<) cos Ро — это фактор Шмида.

Величина т_кр является фундаментальной характеристикой механических свойств материала, так как она связана со скольжением — основным видом пластической деформации. Для металлов и сплавов эта величина находится в пределах 0,1 —1,0 МПа. Существенное влияние на т_кр оказывают степень чистоты материала (т_кр снижается с повышением степени чистоты), температура (т_кр повышается с понижением температуры), скорость деформирования (т_кр повышается с увеличением скорости деформирования), тип кристаллической решетки (например, у Г ЦК-металлов т_кр меньше, чем у металлов с ОЦК-решеткой).

В большинстве случаев значения критических скалывающих напряжений, необходимые для начала пластической деформации материала скольжением, меньше, чем значения критических напряжений для его деформации двойникованием, поэтому пластическая деформация путем двойникования встречается реже деформации скольжением.

Итак, как уже отмечалось, пластическая деформация скольжением осуществляется в результате внутризеренного перемещения (скольжения) дислокаций в кристалле. Атомный механизм движения дислокаций (краевых, винтовых, смешанных) был рассмотрен в гл. 2. Скольжение осуществляется по определенным, характерным для данного типа решетки, системам скольжения под действием касательных напряжений х > т_кр. Пробег дислокации по плоскости скольжения через весь кристалл приводит к сдвигу одной части кристалла относительно другой на величину, равную вектору Бюргерса дислокации. При этом на поверхности кристалла образуется ступенька (она называется линией скольжения), а дислокация на поверхности исчезает.

Ступенька увеличивается пропорционально числу вышедших на поверхность дислокаций. Если ее высота достигает величины порядка нанометра и более, ступеньку можно наблюдать в электронный микроскоп.

Эксперименты показывают, что при больших напряжениях кристаллы претерпевают значительные деформации, т. е. число участвующих в процессе скольжения дислокаций значительно превышает число дислокаций, образовавшихся при кристаллизации. Установлено, что в процессе пластической деформации возникают новые дислокации, идет их размножение (некоторые механизмы размножения дислокаций, в частности, их генерация источниками Франка—Рида, рассмотрены в гл. 2). Рождение новых дислокаций при пластической деформации и их перемещение приводят к макроскопическому сдвигу вдоль плоскости скольжения.