2. Деформация металлов и сплавов

Деформация монокристалла. Основным видом нагрузки, вызывающим деформацию кристалла, т. е. необратимое смещение атомов относительно друг друга без нарушения между ними связи, является сдвиговая. Перемещение одной части кристалла относительно другой в первую очередь будет происходить по плоскостям скольжения, т. е. сдвигаться будут параллельно друг другу соседние плоскости, связь атомов между которыми слабее связи атомов в самой плоскости сдвига. В этом случае происходит минимальное нарушение правильности рас­положения атомов, требующее приложения минимальных затрат энергии.

Способность кристалла к пластической деформации тем больше, чем больше в его решетке плоскостей и направлений сдвига (см. 3.3). К числу легко деформируемых относятся металлы с кубической кристаллической решеткой.

Вначале, при малых сдвигающих нагрузках, происходит только упругая деформация. По достижении определенной критической величины - τ_крит, происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой. Схема процесса деформации монокристалла представлена на рис. 3.24.

Рис. 3.24. Схема упругой (б) и пластической (в) деформации; а - кристалл в исходном состоянии

Поскольку в этом процессе участвуют одновременно все атомы, находя­щиеся в плоскости сдвига, для осуществления его требуется большое сдвиговое напряжение. В соответствии с теоретическими расчетами τ_крнт для идеальных кристаллов железа, меди, алюминия составили соответственно 2350, 1600 и 910 МПа. В реальных кристаллах (с большим количеством нарушений кристал­лической решетки) сдвиговая деформация требует значительно (в сотни и тысячу раз) меньших напряжений - для Fe, Си, AI соответственно: 30; 1,0 и 1,2 МПа. Считают, что деформация реальных кристаллов осуществляется по иному механизму - путем перемещения по кристаллу дислокаций.

На рисунке 3.25 показан участок кристалла с краевой дислокацией, обозначенной линией АВ, в виде лишней плоскости (экстра-плоскости), доходящей до линии сдвига. Под действием сдвигающего напряжения, даже незначительного, дислокация способна менять свое положение в кристалле: из положения АВ она легко перемещается в положение А'В'. Это объясняется тем, что меняет свое положение лишь небольшое число атомов вблизи экстраплоскости.

Рис. 3.25. Схема перемещения краевой дислокации АВ (а) в результате частичного

Сдвига в положение а'в' (б); в - выход дислокации на поверхность кристалла

Таким образом, сдвиг происходит не путем разрыва связей и одновременного перемещения всех атомов, лежащих в плоскости сдвига (как на рис. 3.24), а в результате последовательной эстафетной смены положения экстра-плоскости в кристалле в направлении вектора сдвига. Если не возникнет препятствий, скольжение дислокаций под действием сдвигающего напряжения будет продолжаться через весь кристалл; в конечном итоге часть кристалла окажется сдвинутой относительно другой части на величину периода решетки (рис. 3.25, в). На полированных образцах после небольшой пластической дефор­мации под микроскопом наблюдаются следы скольжения^* в виде прямых параллельных линий с расстоянием между ними примерно 0,2 мкм (около 100 межатомных расстояний). При большой деформации в результате процессов скольжения зерно меняет свою форму: округлое до деформации оно становится вытянутым (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Изменение формы зерна в

результате пластической деформации:

а - до и б - после деформации

Эксперименты показывают, что в результате пластической деформации плотность дислокаций металла не только не уменьшается (как можно было бы ожидать на основании рассмотренной выше схемы), а увеличивается. Причиной «размножения» дислокаций являются другие несовершенства кристаллической решетки - часто движению дислокации по кристаллу мешает расположенная на ее пути другая дислокация. Стремясь преодолеть это препятствие, первая дислокация дробится на две-три новых.

Подвергаемые пластической обработке металлические заготовки являются поликристаллическими. Деформация их протекает аналогично деформации монокристалла - путем сдвига (скольжения) каждого отдельного зерна. Поскольку все они ориентированы по-разному, то и их деформация протекает в неодинаковой степени. С увеличением степени деформации зёрна металлического образца вытягиваются и ориентируются определенным образом (рис. 3.26). Структура металла становится волокнистой или слоистой (рис. 3.27).

t_n.р. температура t₁

Рис. 3.27. Изменение при нагревании структуры и свойств металла, упрочненного холодной деформацией:

t_n.p. - температурный порог рекристаллизации

Рентгеноструктурный анализ показывает, что после деформации отдельные зерна упруго напряжены, а кристаллическая решетка по границам и близ плоскостей скольжения искажена. Пластическая деформация приводит к изме­нению физических свойств металла: повышается электросопротивление, изменяются магнитные свойства, уменьшается плотность и растет прочность (на рис. 3.23, участок 3-4) - происходит деформационное упрочнение металла, которое называют наклепом. Это явление широко используют как способ упрочнения деталей, изготовление которых включает холодную обработку давлением.