Особенности пластической деформации поликристаллических материалов
Наличие в поликристаллах границ зерен во многом определяет характер процесса пластической деформации. До тех пор, пока степень пластической деформации мала, процесс деформирования идет крайне неоднородно из-за хаотичной ориентировки зерен относительно направления прикладываемой нагрузки. Пластическая деформация начинается в наиболее благоприятно ориентированных зернах, в то время как остальные зерна еще продолжают оставаться в упругодеформированном состоянии. Вследствие сильной разориентировки зерен друг относительно друга (на 10° и более, см. гл. 2) дислокации не могут переходить из одного зерна в другое (при переходе через границу зерна — дефектную область кристалла с нарушением правильного упорядоченного расположения атомов — ориентировка плоскости скольжения резко изменяется). В результате около границ зерен скользящие дислокации останавливаются, возникает их нагромождение.
По мере того как приложенное напряжение растет, количество заторможенных дислокаций у границы увеличивается, а следовательно, увеличиваются и создаваемые ими напряжения. Вызванные приграничным нагромождением дислокаций локальные напряжения упруго распространяются через высокоугловую межзеренную границу в соседнее зерно и, в конечном итоге, могут привести в действие источники дислокаций (например, типа Франка—Рида) в соседнем зерне. При этом процесс пластической деформации начинается уже и в этом зерне, а поле напряжений, созданное скопившимися у границы зерна дислокациями, ослабевает (происходит релаксация напряжений).
Таким образом, пластическая деформация в поликристаллах осуществляется эстафетным путем, скольжение распространяется от одного зерна к другому за счет создания в одном зерне повышенных напряжений у границы и возбуждения в соседнем зерне источников дислокаций.
На рисунке 8.34 показано изменение структуры поверхности малоуглеродистой стали в процессе развития пластической деформации. Структура стали состоит из феррита и небольшого количества перлита (рис. 8.34, а). При нагружении до значений напряжения ниже предела текучести в стали структурные изменения не происходят. При незначительном превышении предела текучести материала начинается пластическая деформация и в отдельных зернах феррита, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к направлению действующей нагрузки, появляются параллельные линии скольжения (рис. 8.34, б). По мере увеличения нагрузки пластическая деформация развивается в других зернах, что также отражается на появлении в них линий скольжения (рис. 8.34, в). При значении напряжения, близком к пределу прочности материала, т. е. при большой степени деформации, зерна вытягиваются в направлении растягивающих усилий, создавая волокнистую структуру (рис. 8.34, г). Образуется текстура (текстура деформации) — преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен относительно внешних действующих сил, возникающая при пластической деформации.
Наличие границ зерен приводит к резкому начальному упрочнению вследствие того, что скольжение не может переходить через границу зерна в соседнее зерно. При этом отдельные зерна в поликристалле находятся в разных напряженных состояниях в отличие от однородного напряженного состояния при деформации монокристалла. В результате кривая «напряжение-деформация» поликристалла возрастает более круто, чем у монокристалла.
Рис. 8.34. Изменение микроструктуры поликристаллической малоуглеродистой стали (структурные составляющие — феррит и небольшое количество перлита) в процессе пластической деформации при испытании на растяжение; на микроснимках 250-кратное увеличение: а — до испытания на растяжение; отожженная сталь; б — при напряжении, немного превышающем предел текучести; в — при напряжении, значительно превышающем предел текучести; г — при напряжении, близком к пределу прочности (Б.К. Вульф, К.П. Ромадин)
Неоднородность деформации, особенно при небольших ее степенях, приводит к неоднородному распределению энергии деформационных искажений в разных зернах. С ростом деформации эта неоднородность уменьшается, изменяется и форма зерен поликристалла. Они вытягиваются в направлении деформации при растяжении, волочении и перпендикулярно нагрузке при сжатии, образуется преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен — текстура.
Характер текстуры зависит от природы материала и вида деформации (прокатка, волочение и др.). Например, при волочении (вытяжке) возникают так называемые аксиальные структуры, когда ориентация всех зерен (или группы зерен) поликристалла параллельна определенному кристаллографическому направлению и направлению деформации кристалла. При прокатке появляется текстура деформации, когда параллельно плоскости прокатки лежат кристаллографическая плоскость и направление. Возникновение текстуры деформации приводит к анизотропии механических и физических свойств материала.
Деформация поликристаллических чистых металлов определяется в основном процессами, происходящими на стадии III деформации, а деформационное упрочнение определяется сложным скольжением и поперечным скольжением. Наклон кривых «напряжение—деформация» для поликристаллов в основном зависит от крутизны кривой упрочнения монокристаллов на стадии 111 при данной температуре и в некоторой степени от протяженности стадии II. Обе эти величины, в свою очередь, зависят от энергии дефекта упаковки. Поэтому различия в деформационном упрочнении для различных кристаллов зависят в значительной степени от энергии дефекта упаковки.
Деформации, при которых ячеистая структура образуется в поликристаллах, невелики — от 5 до 10%. При больших деформациях растет плотность дислокаций в стенках, а в металлах с большой энергией дефекта упаковки стенки несколько «сплющиваются», так как делаются тоньше, и ячеистая структура становится более четко выраженной. Этот эффект усиливается при повышении температуры деформации.
