2.8. Плотность дислокаций и прочность кристаллов

Как видно, современная трактовка способности кристаллов сопротивляться сдвиговой деформации строится на дислокационных представлениях. При этом прочностные свойства существенным образом зависят от концентрации (плотности) дефектов.

На рис.51 показан график, иллюстрирующий зависимость прочности кристаллического материала от плотности дислокаций. Если в кристалле дефекты отсутствуют, то тогда его прочность соответствует теоретической, Введение дислокаций ведет к катастрофическому падению прочностных свойств и для какого-то равновесного (отожженного) состояния кристалл будет иметь минимальный уровень прочностных свойств. Однако последующее повышение плотности дислокаций будет сопровождаться ростом прочности.

Такая зависимость определяется особенностями механизма сдвиговой деформации кристалла, в котором дефекты либо отсутствуют, либо, напротив, присутствуют в большом количестве.

В бездефектном кристалле реализуется модель жесткого сдвига, требующая, как отмечалось, мгновенное смещение одной части кристалла относительно другой и, следовательно, сопровождающееся одновременным разрывом связей между всеми атомами, расположенными по обе стороны плоскости сдвига. С другой стороны, в кристалле, имеющем повышенную плотность дислокаций, существенно затрудняется деформация. Анализ представленной зависимости показывает, что существуют принципиально различные направления получения высокопрочного состояния материалов. Это, во-первых, путем получения совершенных кристаллов, не имеющих дефектов решетки, и, во-вторых, посредством создания материалов с высокой концентрацией несовершенств.

В настоящее время существуют технологии выращивания практически идеальных по структуре монокристаллов. Для них характерна особая геометрическая форма - соотношение между длиной l и поперечным

2 3

размером d достигает 10 -10 . Обычно диаметр таких кристаллов составляет 10-30 мкм, поэтому длина таких кристаллов не превышает 10-30 мм. Подобные длинномерные кристаллики называют нитевидными кристаллами или "усами". Показано, что их прочность практически близка к теоретической.

Рис.51.Зависимость прочностных свойств кристалла от плотности дислокаций

^ Плотность дислокаций

Вместе с тем широко применяемый способ получения высокопрочных материалов основан на применении таких обработок, которые позволяют получать поликристаллические материалы с очень высокой концентрацией дефектов. Основные технологические приемы для этих целей - это применение пластической деформации, термической обработки и их комбинация (так называемое термомеханическое упрочнение). Используя подобные технологии, на практике удается получать в поликристаллических материалах особо высокопрочное состояние, которому отвечает прочность, составляющая примерно 0,4 от теоретической.

3. Механические и тепловые свойства кристаллов

3.1. Деформация кристаллов

Пластическую деформацию, составляющую основу обработки металлов давлением, следует рассматривать с двух позиций. С одной стороны, она является важной технологической операцией, способной придать обрабатываемому материалу заданную форму и размеры. С другой стороны, такая деформация выступает как мощный фактор воздействия на внутреннее строение и, следовательно, как способ направленного регулирования различных свойств материала - механических, физических, химических. Поэтому режимы пластической деформации (как и методы термической обработки) рассматриваются в качестве основных технологических приемов, способных существенным и нужным образом регулировать служебные характеристики металлов и сплавов.

Вместе с тем, немаловажное значение приобретает и упругая деформация. Она предшествует пластическому течению и поэтому полезно знать физические условия ее протекания и, соответственно, факторы, на нее влияющие. Кроме того, существует множество случаев в операциях обработки давлением, когда совершенно необходимо исключить вероятность развития при нагружении пластической деформации. Например, различные инструменты (валки, штампы, волоки и т.д.), используемые для формоизменения металлических заготовок, должны сохранять гарантируемую жесткость, неизменность своих размеров. Это означает, что при нагружении деформация инструментов не должна выходить за пределы упругой области.

Рассмотрим основные особенности упругого и пластического деформирования металлов и сплавов, а также условия формирования их структуры и изменения свойств.

Важно установить закономерности, которые связывают напряжения, возникающие при приложении к образцу нагрузки, с соответствующими деформациями. Чаще всего эту зависимость определяют при механических испытаниях (обычно используют испытание на растяжение), которая может быть описана кривой, изображенной на рис.52.

В

Удлинение

Рис. 52. Диаграмма растяжения

Весьма условно экспериментальную кривую можно разделить на три различных участка, каждый из которых характеризует специфическое поведение исследуемого материала. В области небольших напряжений удлинение растет линейно. Это участок упругой деформации ОА - после снятия нагрузки длина образца восстанавливается, т.е. деформация полностью устраняется. На втором участке АВ при увеличении напряжения возникает остаточная, или пластическая, деформация, при этом она равномерно распределена по длине образца. На третьем участке ВС нагрузка уменьшается, в образце образуется "шейка" (место сосредоточенной пластической деформации) и наступает затем разрушение. Оба вида деформации обусловлены разными кристаллофизическими механизмами и рассматривать их нужно отдельно. Рассмотрим первый участок диаграммы растяжения, отражающий упругое поведение материалов.