Пластическая деформация двойникованием

Пластическая деформация двойникованием. Осуществляется в тех случаях, когда скольжение в кристалле по тем или иным причинам затруднено. Деформация двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в новое, зеркально симметричное положение относительно его недеформированной части (см. рис. 8.22, б). При этом двойникование приводит к образованию особых областей — двойников, или двойниковых прослоек, в которых произошла переориентация кристаллической решетки таким образом, что расположение атомов внутри них оказалось зеркальным отражением кристаллической структуры соседних областей. Плоскость зеркального отражения, являющаяся границей двойниковой прослойки, называется плоскостью двойникования, а направление смещения атомов — направлением двойникования (см. рис. 8.22, б).

Смещение плоскостей в двойнике при сдвиге пропорционально их удалению от плоскости двойникования. Для деформационного двойникования характерны высокие скорости, близкие к скорости звука в материале, при этом иногда слышно легкое потрескивание кристалла. Двойникование часто осуществляется при ударных воздействиях, обработке взрывом; двойникованию способствуют низкие температуры.

Сравнение ГЦК-, ОЦК- и ГПУ-кристаллов показывает, что более склонны к двойникованию наименее пластичные ГПУ-кристаллы с ограниченным числом систем скольжения. При двойниковании смешение атомов в каждой плоскости происходит только один раз на долю межатомного расстояния и только в одном направлении. Отсюда ясно, почему данный процесс не приводит к значительной пластической деформации материала, и кристаллы, в которых пластическая деформация развивается преимущественно путем двойникования (висмут, сурьма), разрушаются хрупко.

При металлографическом или электронно-микроскопическом исследовании двойники деформации выглядят как тонкие (шириной менее 5 мкм) полосы (следы пересечения с поверхностью шлифа или фольги), часто суживающиеся к концу (рис. 8.24). На двойниковых границах имеется когерентная связь между атомами матрицы и двойника. В результате этого двойники в структуре металлов исчезают с большим трудом и при высоких температурах нагрева. Более того, при нагреве часто происходит укрупнение двойников — образование так называемых двойников отжига, которые по существу являются выросшими двойниками деформации.

Рис. 8.24. Деформационные двойники в кристалле цинка, оптическая микрофотография (А. Деритер, Б. Грино)

Для описания процесса пластической деформации путем двойнико- вания предложено несколько дислокационных механизмов. Наиболее известный из них — полюсный механизм Коттрелла— Билби (рис. 8.25). Рассмотрим его на примере кристаллов с ОЦК-решеткой, в которых при высоких скоростях или низких температурах деформирования двойнико- вание является преимущественным способом деформации.

Рис. 8.25. Схема полюсного механизма деформационного двойникования (А. Коттрелл и Б. Билби, 1951 г.):

а — встреча дислокационных линий ОА, ОВ и ОС в узловой точке О (полюсе); б не— полюсный механизм двойникования в ОЦК-решетке;

ОС — двойникующая дислокация, СОЕ — плоскость двойникования

На рисунке 8.25, а дислокационные линии ОА, ОВ, и ОС встречаются в узловой точке О (полюсе), при этом, как указано в гл. 2, сумма их векторов Бюргерса равна нулю. Плоскость CDE — плоскость двойникования, или соединительная плоскость двойника, ОС — двойникующая дислокация, ее вектор Бюргерса лежит в плоскости CDE. В процессе двойникования дислокация вращается вокруг неподвижной точки О (полюса) и как бы «подметает» плоскость, образуя правильный сдвиг между атомами, разделенными обшей плоскостью двойникования. Дислокации ОА и ОВ неподвижны, каждая из них имеет винтовую компоненту вектора Бюргер- са, перпендикулярную к плоскости двойникования и равную расстоянию между горизонтальными атомными слоями.

Поскольку дислокации ОА и ОВ имеют частично или полностью винтовой характер, атомные слои вокруг них формируют геликоидальную поверхность. Вращаясь вокруг точки О (полюса), двойникуюшая дислокация перемещается по «спиральному склону» (винтовой поверхности) в следующий слой. Многократное повторение этого процесса приводит к наращиванию толщины двойника, при этом может образоваться достаточно толстая двойниковая прослойка.

На рисунке 8.25, б проиллюстрирована, согласно Коттреллу и Билби, последовательность стадий образования двойника в ОЦК-металлах. Пусть полная винтовая дислокация АО В с вектором Бюргерса а/2 [111], лежащая в плоскости (112), под действием некоторого (повышенного) внешнего напряжения расщепляется в точке О на две частичные дислокации OF и FCO (см. рис. 8.25, б) следующим образом:

Дислокация OF — это сидячая дислокация Франка (см. гл. 2), вектор Бюргерса а/3 [112] которой направлен по нормали к плоскости скольжения (112). Такая частичная дислокация не может скользить в плоскости (112). Вторая частичная дислокация — FCO с вектором Бюргерса а/6 [111] скользит в плоскости (112) с образованием дефекта упаковки OFCO, ограниченного частичными дислокациями OF и FCO. Сегмент ОС дислокации FCO параллелен как вектору Бюргерса а/6 ]111], так и_пересечению плоскостей (121) и (112), г. е. параллелен направлению [111]. Это означает, что сегмент ОС имеет чисто винтовую ориентацию (является винтовой компонентой дислокации FCO) и, как винтовая дислокация, может путем поперечного скольжения перейти в плоскость (121). При этом в плоскости (121) образуется двойниковый дефект упаковки.

Когда дислокация ОС вращается вокруг ОВ (рис. 8.25, в), при каждом полном обороте она перемещается на расстояние, зависящее от компоненты вектора Бюргерса дислокации ОВ, перпендикулярной к плоскости CDE и равной расстоянию между плоскостями (121). Структура двойника образуется при последовательном вращении дислокации; при каждом полном обороте дислокации ОС к двумерному двойнику добавляется еще один слой.

Данная модель удовлетворительно объясняет результаты, полученные при экспериментальных наблюдениях, — высокую скорость роста двойников, а также причину того, что для начала двойникования требуется более высокое напряжение, чем для его продолжения.