Пластическая деформация монокристалла
Рассмотрим деформацию одного монокристалла. Приведенные рассуждения будут справедливы также для кристаллита или отдельного зерна металла. Внутри монокристалла пластическая деформация происходит в основном путем скольжения одних слоев атомов металла относительно других по определенным кристаллографическим плоскостям, которые называются плоскостями скольжения. Обычно плоскостями скольжения являются плоскости с наиболее плотным размещением атомов, а направления скольжения совпадают с направлениями минимальных межатомных расстояний. В металлах с гранецентрированной решеткой скольжение протекает по плоскости октаэдра (111), а направление скольжения совпадает с диагональю граней (типа [101]). В металлах с объемно-центрированной решеткой скольжение осуществляется преимущественно по плоскостям нескольких типов, например (ПО), (112) или (123), так как плотность атомов на этих плоскостях примерно одинакова, а преимущественное направление скольжения совпадает с большой диагональю куба [111]. В металлах с гексагональной решеткой скольжение проходит по плоскости основания призмы типа (0001) в направлении диагонали шестигранника типа [ООП]. Отсюда понятно, что металлы с наиболее плотным расположением атомов в плоскости скольжения имеют наибольшую пластичность.
Заметим, что это упрощенная картина. Помимо скольжения в зерне возможны также другие механизмы пластической деформации, например двой- никование. Немалую роль играют дефекты, атомы других элементов, диффузия атомов и т. д. На этих вопросах мы останавливаться не будем — они подробно рассматриваются в специальном курсе.
Большое влияние на характер скольжения оказывают технологические факторы, особенно температура металла. При повышенных температурах появляются дополнительные плоскости скольжения. Например при температурах 150—200 °С и выше в гексагональных металлах открываются дополнительные плоскости скольжения типа (1011) и (10I2), и пластичность металла резко возрастает, что используется на практике для предотвращения трещин при деформации малопластичных металлов, таких, например, как цинк.
Скольжение в монокристалле происходит под действием напряжений, возникающих в плоскости скольжения. Исследования показали, что напряжения в плоскости скольжения (касательные напряжения), при которых начинается пластическая деформация скольжения, для данного монокристалла при постоянной температуре и скорости деформации постоянны. Это фундаментальное свойство металлов: при растяжении, сжатии, прокатке и других видах нагружения металла сдвиг по плоскости скольжения будет происходить всегда при одних и тех же касательных напряжениях. Предел текучести металла не зависит от схемы напряженного состояния. Конечно, для поликристалличе- ских материалов, состоящих из разных кристаллитов или зерен, такое утверждение в принципе неверно, поскольку для них, помимо скольжения внутри зерен, большое влияние на характер пластической деформации оказывает меж- зеренное скольжение. Сами зерна в металле имеют разные направления кристаллографических плоскостей, и деформация начинается раньше только в благоприятно расположенных зернах.
В классической теории пластичности независимость предела текучести от характера нагружения металла принимается как постулат, и строение самого металла не рассматривается. Предполагается, что деформируемый металл представляет собой некоторую однородную сплошную среду, не имеющую кристаллического строения, способную в любом направлении при соответствующих касательных напряжениях проявлять скольжение. Для всех металлов и сплавов это, очевидно, не гак, тем не менее методами теории пластичности решают множество практически важных задач.
Если основная прочностная характеристика металла — предел текучести — может считаться не зависящей от схемы напряженного состояния, то пластичность металла сильно зависит от нее. По горизонтальной оси (рис. 1.5) отложим схему действующих напряжений на элементарный кубик деформируемого металла, а по вертикальной — некоторую характеристику пластичности, например степень деформации до появления первой видимой трещины в металле. При трехстороннем сжатии металла появление трещин маловероятно, пластичность наивысшая. При возрастании доли растягивающих напряжений пластичность снижается, и при равномерном трехстороннем растяжении для
Рис. 1.5. Зависимость пластичности металла от схемы напряженного состояния всех металлов она близка к 0, и металлы разрушаются хрупко при самой незначительной пластической деформации.
Такое поведение металла очень важно учитывать при выборе технологического процесса для получения готовой продукции без дефектов, особенно для металлов с пониженной природной пластичностью. Например, многие металлы при прокатке могут “трещать” по кромкам, так как здесь возникают растягивающие напряжения. При прессовании таких же профилей из того же металла трещин можно избежать, гак как при прессовании металл находится в состоянии сжатия по всем трем осям. Прессование широко применяют для получения изделий из малопластичных металлов. При прокатке также полезно создавать подпирающие напряжения сжатия, предотвращающие разрушение металла.
