Пластическая деформация. Упрочнение и разупрочнение металла. Сублимооскопическая картина пластической деформации.

Приложение внешней нагрузки вызывает упругую, а затем и пластическую деформацию металлов. Для области упругой деформации характерно полное соответствие изменений напряжения и деформации, распространяющейся в твёрдом теле со скоростью звука, т.е. практически мгновенно. При приложении внешних сил нарушается равновесие сил взаимодействия атомов, и для его восстановления атомы незначительно смещаются в новые, но тоже устойчивые положения. При снятии внешней нагрузки атомы возвращаются в прежнее устойчивое положение, соответствующее нормальному строению кристаллической решетки. При этом твёрдое тело вновь приобретает начальную форму. Максимальная величина упругих деформаций очень мала: обычно относительная деформация по порядку величины не превышает 10^-3.

При превышении относительной деформации кристаллов порядка 10^-3-10^-4 начинается пластичное течение металла, при котором атомы, участвующие в этом процессе, окончательно перемещаются из одного места решетки в другое.

Сдвигообразование в кристалле, развивающееся под действием внешней силы, в основном представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения и выход их на поверхность кристалла. Однако смещение первичных дислокаций ограничено и не может вызвать образование углов сдвигов более одного градуса, в то время как в действительности при пластический деформации кристаллов наблюдается появление углов сдвигов, значительно превышающих указанную величину.

Большая пластическая деформация металла происходит потому, что при смещении первичных дислокаций возникают новые дислокации, то есть происходит размножение дислокаций. При этом многие первичные дислокации не принимают участие в начальной деформации, так как они сильно заблокированы теми или иными препятствиями и новые дислокации возникают легче, чем приходят в движение эти заторможенные дислокации.

Если бы сдвигообразование происходило только за счет выхода дислокаций, уже имеющихся в кристалле, то процесс пластического деформирования приводил бы к истощению дислокаций и переводу кристалла в более совершенное состояние. В противоположность этому с ростом степени деформации искажение решетки не уменьшается, а возрастает и соответственно увеличивается и плотность дислокаций. Такое явление объясняется тем, что в процессе пластической деформации под действием внешних сил происходит дополнительное генерирование дислокаций. Механизм такого генерирования был открыт в 1950 году Франком и Ридом.

Рис. 7.4. Последовательные стадии действия источника Франка-Рида

На рисунке 7.4 показана линейная дислокация DD', расположенная в плоскости скольжения; точки D и D', закреплены неподвижно и в перемещении дислокации не участвуют. Такое закрепление может произойти в местах пересечения данной дислокации с другими дислокациями, на примесных атомах и так далее. Под действием внешнего напряжения дислокация начинает выгибаться подобно мыльной плёнке и в какой-то момент времени принимает форму полуокружности (рис. 7.3, б). Выгибание дислокации может происходить лишь при непрерывно растущем напряжении. Максимального значения t достигает, в момент, когда дислокация принимает форму полуокружности. В связи с этим дальнейшее её развитие происходит самопроизвольно посредством образования двух спиралей (рис. 7.4, в), которые после встречи в точке С (рис. 7.4, г) приводят к разделению дислокации на две: на внешнюю, замыкающуюся в виде наружной окружности (рис. 7.4, д), и на внутреннюю, приходящую в первоначальное положение DD’. Наружная дислокация разрастается до внешней поверхности кристалла и приводит к элементарному сдвигу; внутренняя, заняв исходное положение DD’ под действием напряжения начинает снова выгибаться и разрастаться, то есть так, как описано выше. Такой процесс может повторяться какое угодно число раз, обеспечивая появление на данной плоскости скольжения заметного смещения одной части кристалла относительно другой. По данным разных исследований из одного источника может образоваться до тысячи новых дислокаций.

Интенсивность генерирования новых дислокаций сильно зависит от уровня приложенных напряжений; при его повышении в 1,4 раза наблюдалось увеличение плотности новых дислокаций в 1000 раз.

Дислокации влияют на плотность, электро- и теплопроводность, а также на внутреннюю энергию и приводят к увеличению объёма вследствие эффектов упругости второго порядка. Так как дислокации представляют собой нарушение регулярности кристаллической решётки, они рассеивают электроны и фотоны и уменьшают электро- и теплопроводность.

Деформационное упрочнение

В связи с тем, что пластическая деформация представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения с их выходом на поверхность кристалла, возникновение всевозможных препятствий, затрудняющих движение дислокаций, вызывает упрочнение поликристалла.

К числу подобных препятствий прежде всего относятся другие дислокации, имеющиеся в кристалле, так как преодоление сил отталкивания одноименных дислокаций и точек пересечения различных дислокаций требует затрат дополнительной энергии. В связи с этим увеличение общего числа дислокаций (то есть повышение плотности дислокаций), происходящее в связи с их генерированием источниками Франка-Рида в процессе пластической деформации, сопровождается деформационным упрочнением.

Деформационное упрочнение (наклёп) металла, обрабатываемого резанием, обкаткой роликами и шариками, дробеструйным наклёпом, чеканкой и другими механическими способами упрочняющей технологии, в значительной степени основано на увеличении плотности дислокаций.

Рис. 7.5. Преодоление препятствия движению дислокации в зерне хрома.

Неподвижные препятствия (атомы примесей, дисперсные фазы и другие точечные дефекты), огибаемые движущейся дислокацией, вызывают увеличение её длины (рис. 7.5) и резкое усиление искажений кристаллической решётки, связанное с затратой дополнительной работы. На участках преодоления подобных дефектов сопротивление перемещению дислокаций значительно возрастает, то есть металл упрочняется. Равномерное распределение атомов примесей и создание дисперсных фаз достигается в настоящее время методами легирования и специальной термической и термомеханической обработкой, обеспечивая значительное упрочнение металлов.

Таким образом, дефекты решётки оказывают на сопротивление кристалла деформации двоякое действие. Способствуя образованию дислокаций, они ослабляют кристалл. С другой стороны, они упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокаций. При этом некоторой плотности дислокаций р_м соответствует минимальное сопротивление кристалла деформации (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Зависимость сопротивления деформации от числа дефектов в кристалле

Уменьшение р по сравнение с р_м приводит к повышению прочности, так как приближает структуру к идеальной. Увеличение числа дефектов по сравнению с р_м также вызывает повышение прочности вследствие увеличения сопротивления перемещению дислокаций. Все методы упрочнения, применяемые в настоящее время (наклеп, легирование, термообработка), соответствуют правой пологой ветви кривой рисунка.7.6. Значительно более заманчивым является использование левой ветви этой кривой, отвечающей получению бездефектных кристаллов, однако в этом направлении сделаны ещё только первые шаги, то есть получены тонкие нитевидные кристаллы (так называемые «усы»), обладающие почти идеальной внутренней структурой. Замечательным свойством таких кристаллов является исключительно высокая прочность, близкая к теоретической величине.

Особенно резко увеличивают сопротивление перемещению дислокаций границы кристаллических зерен, границы блоков мозаики и обособленные включения, содержащиеся в решётке. Для преодоления этих препятствий требуется приложение более высоких внешних напряжений, поэтому измельчение кристаллических зерен (создание мелкозернистой структуры металла) и дробление кристаллических блоков, во многих случаях сопровождающее пластическую деформацию обрабатываемого металла, вызывает его деформационное упрочнение.