1.5. Структура деформированного металла. Полосы скольжения. Полосы сброса. Двойникование.
Типичным элементом структуры деформированного металла при дислокационном механизме деформирования являются полосы скольжения, называемые также полосами или линиями Чернова – Людерса. У многих материалов их можно заметить невооруженным глазом на поверхности деформированного образца, как полосы, пересекающие поверхность вдоль направлений действия максимальных касательных напряжений. От остального материала их отличает огромное количество накопленных дислокаций. Для появления полосы необходимо, чтобы начальная плотность дислокаций в материале была мала, зарождение их – затруднено, из-за чего скольжение локализуется вблизи дефектов, создающих большие перенапряжения, и постепенно распространяется по материалу.
Развитие полосы происходит приблизительно следующим образом.
Рис. 1.5.1. Развитие полосы скольжения.
Сперва вблизи дефекта зарождаются дислокации, которые скользят и одновременно размножаются путем двойного поперечного скольжения (рис. 1.5.1. а), тем самым расширяя полосу, содержащую дислокации (рис. 1.5.1. б). При этом дислокации одного знака скользят внутрь, удлиняя полосу, а дислокации другого выходят на свободную поверхность, образуя растущую ступеньку. Внешние края полосы постепенно продвигаются за счет двойного поперечного скольжения, сама полоса удлиняется, а внутри нее плотность дислокаций растет до тех пор, пока полоса не разделяется на три характерные зоны (рис. 1.5.1. в): внутренняя область, в которой скольжение прекратилось из-за высокой плотности дислокаций, головная область, которая имеет меньшую плотность и скользит дальше в материал, и боковые области, внешний край которых постоянно движется, расширяя полосу, а внутренний по мере накопления дислокаций отходит к внутренней неподвижной области. Если полоса станет слишком широкой, ее головная часть может настолько затупиться, что превратится в стенку дислокаций и полоса остановится из-за уменьшения напряжений вблизи головной части. Если же полоса пересечет весь объем материала, она может стать местом его разрушения.
Основным механизмом пластической деформации чистых кристаллов при малых степенях деформации является скольжение отдельных дислокаций в плоскостях легкого сдвига. Внутреннее строение кристалла при таком деформировании не нарушается, а на его поверхности образуются ступеньки, высоты которых равны векторам Бюргерса дислокаций.
По мере увеличения степени деформации и роста плотности дислокаций в процесс включаются коллективные дефекты – дислокационные скопления, стенки, полосы деформации. Происходит переход от дислокационного механизма к ротационному, при котором необратимое формоизменение происходит за счет разворотов областей материала и кристаллографических направлений. Эти развороты возникают по разным причинам, наиболее важными из которых являются анизотропия упругих и пластических свойств материала и неоднородность деформированного состояния.
В результате ротационной деформации образуются области, кристаллическая решетка которых разориентирована относительно кристаллической решетки основного кристалла. Области переориентации часто принимают форму пластин, пересекающих сечение образца. Примерами ротационного пластического деформирования могут служить образование полос сброса (рис. 1.5.2. а) и двойникование (рис. 1.5.2. б). Линиями здесь показана ориентация атомных плоскостей.
Рис. 1.5.2. Полоса сброса и двойник.
Появление полос сброса является основным механизмом деформирования при больших деформациях. Двойникование развивается в том случае, если затруднена деформация скольжением, что может быть вызвано невыгодной ориентацией плоскостей легкого скольжения, высокая скорость деформирования или низкая температура. Двойники возникают также при воздействии на кристалл сосредоточенной силы – при вдавливании тонких лезвий и игл, при царапании. Деформирование двойникованием характерно для литого металла, ВТО время как отожженный или продеформированный металл (например, прокат) деформируются скольжением. В случае прохождения двойника через весь кристалл и выхода на его поверхность наблюдается сброс напряжения на диаграмме деформирования. Сбросы эти
И полосы сброса и двойники часто имеют вид тонких пластин, пересекающих все зерно, или даже весь образец. Пересечение их приводит к фрагментации материала и образованию трещин.
Заключение главы 1.
В этой главе мы вкратце рассмотрели основные физические механизмы пластического деформирования материалов, имеющих кристаллическое строение. Модели, напрямую учитывающие межатомные взаимодействия, могут описывать все многообразие процессов деформирования на основе теории упругости, примененной к кристаллической решетке. Они помогают получить представление о причинах тех или иных явлений, наблюдаемых при необратимом деформировании твердых тел, однако использовать их для решения задач, связанных с телами сколько-нибудь значительных размеров, затруднительно. Трудность эта сводится к двум проблемам, одна из которых носит количественный характер, а другая – принципиальный.
Первая проблема связана с тем, что расчет деформирования даже микроскопических объектов при помощи атомных моделей требует огромных вычислительных мощностей. Например, в одном кубическом миллиметре меди содержится порядка 1020 атомов, а при деформировании необходимо учесть движения каждого из них и взаимодействие как минимум со всеми соседними атомами.
Однако, даже если решить проблему нехватки вычислительных мощностей, вторая проблема останется. Она состоит в том, что любое тело, смоделированное на уровне взаимодействия составляющих его атомов, окажется слишком яркой индивидуальностью, чтобы его можно было сравнивать с каким-то другим телом. Не говоря уже о том, что узнать, как именно расположены атомы в конкретном образце материала для его точного моделирования попросту невозможно. Достаточно просто описываемое взаимодействие двух атомов при увеличении числа атомных пар порождает на различных масштабных уровнях всё новые и новые закономерности. Уже на уровне кристаллической решетки наблюдается взаимодействие множества разнородных объектов, начиная от собственно атомов разных сортов и вакансий и заканчивая скоплениями дислокаций, кристаллитами, межфазными и межзеренными границами. Дальнейшее укрупнение рассматриваемых объемов приводит нас к еще более сложным явлениям. По этой причине необходимо усредненное моделирование, учитывающее закономерности только тех масштабных уровней, которые наиболее значимы для рассматриваемой задачи. Такое усредненное описание можно построить либо на основе статистического анализа экспериментальных данных, либо на основе механики сплошной среды.