Стадийность пластической деформации

Кривые деформационного упрочнения чистых металлов.

Стадийность ПД наиболее полно проявляется при нагружении монокристаллических образцов ГЦК металлов с низкой плотностью дислокаций порядка 10⁶ см^-2 и меньше. Причем монокристалл должен быть ориентирован так, чтобы в основной системе скольжения ({111}) приведенное критическое напряжение было максимально.

В этом случае, на начальной стадии ПД движение дислокаций будет происходить в одной системе параллельных плоскостей скольжения и на диаграмме растяжений будет наблюдаться стадия легкого скольжения – стадия I на рис. 3.1.

При превышении предела упругости дислокации страгиваются со своих мест и начинается коллективное движение дислокаций с выходом на поверхность образца. В связи с чем на полированной поверхности проявляются параллельные следы (ступеньки) одной системы скольжения. Длина линий скольжения L≈1мм, а высота ступеньки h≈0,03 мкм. Макроскопический сдвиг набирается из единичных дислокаций и величина ступеньки h на поверхности кристалла зависит от количества дислокаций, прошедших в одной плоскости скольжения:

,                                                    (3.1)

где  – вектор Бюргерса; n – количество дислокаций.

Движение дислокаций в плоскости скольжения начинается по достижении критического приведённого напряжения сдвига - τ_кр^пр., которое на диаграмме растяжения условно определяют путем экстраполяции площадки текучести на ось напряжений.

По мере развития ПД весь образец покрывается линиями скольжения на определенном расстоянии d друг от друга. Первичные плоскости скольжения практически были пусты от препятствий для движущихся дислокаций, поэтому длина их свободного пробега высока, а накопление дислокаций мало. В результате на первой стадии ПД коэффициент упрочнения очень низкий ϴ ≈ 10^-4 G, а стадия легкого скольжения достаточно длительная (для ГЦК Ме составляет 10-20%). Физический смысл коэффициента упрочнения – возрастание напряжений за единицу деформации:

ϴ = dτ/dg. (3.2)

Коэффициент упрочнения на стадии легкого скольжения зависит в основном от длины линий скольжения и расстояния между ними. Зегер определил расчетную формулу для вычисления коэффициента упрочнения первой стадии ПД:

ϴ=dτ/dg=Gd/2πL. (3.3)

Стадия II множественного скольжения (линейного упрочнения) начинается, когда расстояние между следами скольжения уменьшается до 0,3мкм, что соответствует деформации g₂. Накопление дислокаций  и искажений в первичных системах скольжения приводит к развитию скольжения в других системах скольжения, т.е в плоскостях скольжения не параллельных первичным.. Одновременно могут начать работать сразу несколько систем скольжения.

Рис.3.1. Типичная диаграмма растяжения для ГЦК монокристаллов с указанием стадий ПД.

Дислокации, движущиеся во вторичных системах скольжения пересекают первичные плоскости скольжения, их длина свободного пробега уменьшается. Взаимодействие движущихся дислокаций с дислокациями из первичных систем скольжения приводит к накоплению линейных дефектов в первичных системах и развороту первичных плоскостей скольжения. начинают образовываться рыхлые границы ячеек. то есть происходит фрагментации дислокационной структуры.  Движение дислокаций в различных системах скольжения приводит к их пересечению с образованием на них ступенек, снижающих скорость перемещения,  точек закрепления, скопления дислокаций. Часть перемещающихся дислокаций застревает в дислокационных стенках и выпадает из числа подвижных, поэтому кристалл вынужден генерировать новые дислокации, способные к перемещению и обеспечивающие пластический сдвиг. Развитие ПД влечет за собой увеличение плотности дислокаций и уменьшение размеров ячеек.

На II стадии напряжение течения значительно зависит от размеров ячеек (d_яч): τ/G=kb/ d_яч (3.4)

Уменьшается количество плоскостей скольжения, по которым возможно перемещение дислокаций, плотность дислокаций растет и для  движения дислокаций требуются всё более высокие напряжения, которые рассчитываются по формуле Тейлора:

τ=αGb√ρ,     (3.5) где

 ρ- плотность дислокаций,

α=k₁√n/2π, коэффициент, зависящий от типа субструктуры и ≈ 0,2÷0,6.

k₁- геометрический множитель

n- число дислокаций. испускаемых источником.

Экспериментальные исследования показывают, что все объемы кристалла упрочняются одинаково на второй стадии ПД, а в ячеистой структуре сохраняется распределение дислокаций в стенках и в объеме как 5:1 на всем протяжении данной стадии.

Коэффициент упрочнения максимален и определяется только геометрическими константами: ϴ_II= k₁/2π k₂.(3.6)

Где k₂ зависит от длины свободного пробега дислокаций:

L= k₂ r (r-усредненное расстояние между источниками дислокаций)

 для ГЦК металлов ϴ_II= (2÷5) 10^-3G, то есть на порядок выше, чем на первой стадии.

Взаимодействие дислокаций и увеличение их плотности приводит к формированию дислокационных субструктур, эволюционирующих в процессе пластической деформации (см. лекцию №4). К концу 2-й стадии полностью формируется ячеистая дислокационная субструктура и металл приобретает сложнонапряжённое, упрочнённое состояние. Вторая стадия заканчивается при   g= 30÷40%.