5. Деформация и
разрушение кристаллов
5.1. Виды напряжений
Деформацией называют изменения
размеров и формы тела под
воздействием приложенных сил.
Деформация вызывается действием
внешних сил, приложенных к
телу, или различными физико-механическими
процессами, происходящих в самом
теле. При этом напряжения в
случае одноосного растяжения
S = P/F.
Сила P, приложенная
к некоторой площадке F, обычно не
перпендикулярна к ней, а направлена
под некоторым углом, поэтому
в теле возникают нормальные и
касательные напряжения (рис. 23 а). Напряжения
могут быть: истинными - когда силу
относят к сечению, существующему
в данный момент деформации; условными
- когда силу относят к исходной
площади сечения. Истинные касательные
напряжения обозначают t и нормальные
S, а условные соответственно t и s. Нормальные
напряжения подразделяют на растягивающие
(положительные) и сжимающие (отрицательные).
Наличие в испытуемом образце
механических надрезов, трещин, внутренних
дефектов металлов, сквозных отверстий,
резких переходов от толстого сечения
к тонкому, приводит к неравномерному
распределению напряжений, создавая
у основания надреза пиковую
концентрацию нормальных напряжений.
В связи с этим такие источники
концентрации напряжений называются концентраторами
напряжения (рис. 23б). Пик напряжений
sК тем больше, чем меньше радиус
концентратора и чем меньше глубина
надреза с: sК = 2sН Цc/r, где sН –
номинальное среднее напряжение.
Так как напряжения вызываются
разными причинами, то различают
временные напряжения, обусловленные
действием внешней нагрузки и
исчезающей после ее снятия, и
внутренние остаточные напряжения,
возникающие и уравновешивающиеся
в пределах тела без воздействия
внешней нагрузки. Если это вызвано
резким нагревом или охлаждением,
то они называются термическими,
если же вследствие неоднородного
протекания фазовых превращений
- фазовыми или структурными напряжениями.
5. Деформация и
разрушение кристаллов
5.2. Упругая и пластическая
деформация металлов
Упругая деформация. Упругой деформацией
называют деформацию, влияние которой
на форму, структуру и свойства
тела устраняются после прекращения
действия внешних сил, под действием
которых происходит только незначительное
относительное и обратимое смещение
атомов.
Пластическая деформация. При возрастании
касательных напряжений выше
определенной величины деформация
становится необратимой. При снятии
устраняется лишь упругая составляющая
деформации. Часть деформации, которую
называют пластической, остается. При
пластической деформации необратимо
изменяется структура металлов,
а следовательно, и ее свойства.
Схема упругой и пластической
деформации металла с кубической
структурой, подвергнутого действию
касательных напряжений показана
на рис.24. Скольжение в кристаллической
решетке протекает по плоскостям
и направлениям с наиболее
плотной упаковкой атомов, где
сопротивление сдвигу наименьшее,
тем самым, образуя систему
скольжений.
Процесс скольжения не следует
представлять как одновременное
передвижение одной части кристалла
относительно другой. Такой жесткий
или синхронный сдвиг потребовал
напряжений, в сотни или даже
в тысячу раз превышающих тех,
при которых в действительности
протекает процесс деформации.
Поэтому в действительности скольжение
осуществляется в результате
перемещения в кристалле дислокаций
(рис. 25). Перемещение дислокаций
в плоскости скольжения ММ
через весь кристалл приводит
к смещению (свигу) соответствующей
части кристалла на одно межатомное
расстояние, при этом с права
на поверхности образуется ступенька.
На начальной стадии пластической
деформации монокристалла осуществляется
движением дислокаций по одной
системе плоскостей – стадия
легкого скольжения (рис. 26) . Дислокации
на этой стадии перемещаются
сравнительно беспрепятственно
на большие расстояния, обеспечивая
прогрессивную деформацию без
значительного роста действующих
напряжений (стадия I деформационного
упрочнения). После этого начинается
стадия множественного скольжения
- движение дислокаций в двух
и более системах, на этой стадии
после значительной деформации
дислокационная структура металла
сильно усложняется и плотность
дислокаций ("лес" дислокаций)
возрастает по сравнению с
исходным состоянием на четыре
–шесть порядков, достигая 1011 –
1012 см-2. Вследствие упругого взаимодействия
между дислокациями сопротивление
их движению сильно возрастает
и для их продвижения напряжение
должно резко возрасти ( стадия II
деформационного упрочнения). Под
влиянием все возрастающего напряжения
развиваются поперечное скольжение
винтовых дислокаций, т.е. скольжение
с переходом из одной разрешенной
плоскости скольжения в другую.
Это приводит к частичной релаксации
напряжений, аннигиляции отдельных
дислокаций разного знака и
группировке дислокаций в объеме
ячейки, внутри которых плотность
дислокаций меньше, чем в стенах
ячеек. Наступает III стадия деформации,
когда происходит так называемый
динамический возврат, который
приводит к уменьшению деформационного
упрочнения.
Дислокации, движущиеся
в деформированном металле, порождают
большое число дислоцированных
атомов и вакансий.
Двойникование . Пластическая
деформация некоторых металлов, имеющих
плотноупакованные решетки К12 и
Г12, кроме скольжения может осуществляться
двойникованием, которое сводится к
переориентации части кристалла
в положение, симметричное по отношению
к первой части относительно плоскости,
называемой плоскостью двойникования
(рис.24д). Двойникование подобно скольжению
сопровождается прохождением дислокаций
сквозь кристалл. По сравнению со скольжением
двойникование имеет меньшее
значение. В металлах с ОЦК и
ГЦК – решеткой двойникование
наблюдается только при больших
степенях деформирования и низких температур.
Пластическая деформация
поликристаллов. Пластическая деформация
поликристаллического металла протекает
аналогично деформации монокристалла
путем сдвига или двойникования.
Так как плоскости и направления
в каждом зерне различные, то сперва
скольжение идет в более благоприятно
ориентированных зернах. В отличии
от монокристалла движение дислокаций
препятствует границы зерен, поэтому
первая стадия деформационного упрочнения
отсутствует, а во второй стадии деформационного
упрочнения - коэффициент упрочнения
выше ( рис. 26).
Текстура деформации. При большой
степени деформации возникает
преимущественная ориентация кристаллографических
плоскостей и направлений в
зернах. Закономерная ориентация
кристаллитов относительно внешних
деформационных сил получила
название текстуры (текстура деформации).
Деформационное упрочнение поликристаллического
металла. С увеличение степени
холодной (ниже (0,15- 0,2) Тпл) деформации
свойства, характеризующие сопротивления
деформации (sВ, s0,2, HV и др. ) повышаются,
а способность к пластической
деформации (пластичность d) уменьшается
(рис. 27). Это явление получило
название наклепа. Упрочнение
металла в процессе пластической
деформации (наклеп) объясняется увеличение
числа дефектов кристаллического
строения (дислокаций, вакансий, межузельных
атомов). Повышение плотности дефектов
кристаллического строения затрудняет
движение новых дислокаций, а
следовательно, повышает сопротивление
деформации и уменьшает пластичность.
Наибольшее значение имеет увеличение
плотность дислокаций, так как
возникающее при этом между
ними взаимодействие тормозит
дальнейшее их перемещение.
Металлы с ГЦК решеткой упрочняются
сильнее, чем металлы с ОЦК
решеткой, в результате холодной
деформации уменьшается плотность,
сопротивление коррозии и повышается
электросопротивление. Холодная деформация
ферромагнитных металлов (например,
железа) повышает коэрцитивную силу
и уменьшает магнитную проницаемость.
5. Деформация и
разрушение кристаллов
5.3. Сверхпластичность
металлов
Под сверхпластичностью понимают
способность металла к значительной
пластической деформации (d = 102 -103% )
в определенных условиях при
одновременно малом сопротивлении
деформированию (100 - 101 МПа ). Существуют
следующие разновидности сверх
пластичности.
1. Структурная, которая
проявляется при температурах >
0,5 Tпл в металлах и сплавах
с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм
и небольших скоростях деформации
(10-5 - 10-1 с-1 ).
2. Субкритическая ( сверхпластичность
превращения), наблюдается вблизи
начала фазовых превращений, например,
полиморфных.
Наиболее перспективен процесс
структурной сверхпластичности.
Сверхпластичность
не является свойством каких-то особых
сплавов и при соответствующей
подготовке структуры и в определенных
условиях, деформации проявляется у
большого числа сплавов, обрабатываемых
давлением. Она может иметь место
лишь при условии, когда в процессе
деформации (растяжения образца) не образуется
локальной деформации, при которой
образуется утончение шейки и
сопровождается сравнительно быстрым
разрушением.
Высокое сопротивление
образованию шейки при растяжении
образца в условиях сверхпластичности
связано с большой чувствительностью
напряжения течения s к изменению
скорости e: s = kem , где k – коэффициент,
зависящий от структуры и условий
испытания; m – показатель скоростной
чувствительности напряжения течения.
Для идеально вязких
(ньютоновских) твердых тел m = 1 и
удлинение не должно сопровождаться
образованием шейки. В случае обычной
пластической деформации m < 0,2, а в
условиях сверхпластичной деформации
m > 0,3 (обычно 0,4-0,7).
Структурная сверхпластическая
деформация протекает главным образом
благодаря зернограничному скольжению,
хотя в определенной степени существует
и внутризеренное дислокационное скольжение.
Явление сверхпластичности в
промышленности используют при
объемной изотермической штамповке
и при пневмоформовке. Недостатком
является необходимость нагрева
штампов до температуры обработки
и малая скорость деформации.
5. Деформация и
разрушение кристаллов
5.4. Разрушение металлов
Под разрушением понимают процесс
зарождения и развития в металле
трещин, приводящих к разделению
его на части.
Разрушение происходит
в результате или развития нескольких
трещин, или слияния рядом расположенных
трещин в одну магистральную трещину,
по которой идет полное разрушение.
Разрушение может быть хрупким и
вязким. Механизм зарождения трещин одинаков
как при хрупком, так при вязком
разрушении. Возникновение микротрещин
чаще происходит благодаря скоплению
движущихся дислокаций (пластической
деформации) перед препятствием (границами
зерен, межфазными границами, перед
возможными включениями) образуя зародыш
трещины (рис. 28). Трещина образуется
в плоскости, перпендикулярной к
плоскости скольжения, когда плотность
дислокаций достигает 1012-1013 см-2, а касательные
напряжения у вершины их скопления
~0,7G. Вязкое
и хрупкое разрушение различаются
между собой по величине пластической
зоны у вершины трещины. При хрупком
разрушении величина пластической зоны
в устье трещины мала. При вязком
разрушении величина пластической зоны,
идущей впереди распространяющейся
трещины, велика, а сама трещина затупляется
у своей вершины. Вязкое разрушение
обусловлено малой скоростью
распространения трещины. Скорость
распространение хрупкой трещины достигает
2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение
называют "внезапным", или "катастрофическим"
разрушением.
С точки зрения микроструктуры
существует два вида разрушения
- транскристаллитное и интеркристаллитное.
При транскристаллитном разрушении
трещина распространяется по
телу зерна, а при интеркристаллитном
она проходит по границам зерен.
По внешнему виду излома отличают:
хрупкий (светлый) излом,
поверхность которого характеризуется
наличием блестящих плоских участков;
такой излом свойственен хрупкому
разрушению;
вязкий (матовый) излом,
поверхность разрушения которого содержит
весьма мелкие уступы – волокна, образующие
при пластической деформации зерен
в процессе разрушения; этот излом
свидетельствует о вязком разрушении.
Межзеренное разрушение облегчается
при выделении по границам
зерен частиц хрупкой фазы. Одни
и те же (по составу) сплавы
в зависимости от предшествующей
о работки и метода испытания
могут вязкими и хрупкими.