Механизм образования деформации

Все металлы в том виде, в каком они применя­ются в машиностроении, имеют поликристаллическую струк­туру, т.е. состоят из множества мелких кристалликов, хао­тически расположенных в объеме. Внутри кристаллов атомы металла располагаются в определенном порядке, образуя пра­вильную пространственную решетку. Система расположения атомов зависит от свойств атомов. Она меняется также в за­висимости от физических условий кристаллизации.

Приложение сдвиговых напряжений τ к плоскостям внутри кристалла приводит к перемещению атомов из первоначального положения на величину δ. Если перемещение мало, то деформация упруга и обратима. Это означает, что после снятия приложенного сдвигового напряжения атомы возвращаются в первоначальное положение. Если, однако, величина сдвигового напряжения достаточно велика, чтобы переместить атом в среднее положение между атомами 2 и 4, то этот атом будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия по отношению к атомам 2 и 4 и может занять либо новое равновесное положение непосредственно над атомом 4, либо вернуться в первоначальное положение над атомом 2.

Рис. 8 Деформация простой кубической решетки атомов

при приложении касательного напряжения

Если атом 1 действительно займет новое положение над атомом 4, симметрия решетки сохранится, но у атомов, распо­ложенных с разных сторон от плоскости сдвига, появятся новые соседние атомы. В этом случае говорят, что в кристалле произошло сколь­жение или что кристалл пластически деформировался на одно межатомное расстояние.

Пластическая деформация кристаллических материалов происхо­дит одним или несколькими из следующих четырех путей: (1) сколь­жением, (2) двойникованием, (3) скольжением по границам зерен и (4) диффузионной ползучестью.

Последние два механизма проявляются в основном при высоких температурах и малых скоростях деформирования. Наиболее распространенным механизмом пластического деформирования является плавное движение одной плоскости атомов над другой, называемое обычно скольжением. В любой кристаллической решетке некоторые плоскости и направления более других предрасположены к возникновению в них скольжения, что приводит к появлению полос из тонких параллельных линий скольжения на поверхности кристалла при его пластическом деформировании.

Плоскостями скольжения обычно являются наиболее плотно упакованные атомами плоскости кристаллической решетки. Про­цесс скольжения осуществляется движением атомов на целое число межатомных расстояний. Таким образом, после скольжения общая симметрия решетки сохраняется, но на свободной поверхности за­метен след скольжения. Если свободную поверхность отполировать, то все следы скольжения исчезнут и конфигурацию кристалличе­ской решетки будет невозможно отличить от ее первоначальной конфигурации до начала скольжения.

Чтобы осуществить скольжение относительно друг друга плос­костей упорядоченно расположенных атомов, требуется приложить достаточно большое сдвиговое напряжение, которое могло бы прео­долеть силы взаимодействия между атомами одной плоскости и близко расположенными к ним атомами другой плоскости. Расчеты, произведенные различными способами, показывают, что для осу­ществления такого скольжения одной плоскости атомов относитель­но другой (пластической деформации) в обычных металлах теоре­тически потребовалось бы приложить сдвиговое напряжение по­рядка ~0,7-10⁵ ….1,5-10⁵ кгс/см². Фактически же обычно замеряемые в опытах величины составляют лишь 700…3500 кгс/см². Естественно возникает вопрос: почему наблюдается такое большое несоответствие между теоретическими и наблюдаемыми в опытах значениями критического сдвигового напряжения, требуе­мого для осуществления пластической деформации?

Основная погрешность принятой расчетной схемы за­ключается в предположении, что смещение атомов при сдвиге происходит по всей плоскости одновременно.

Тейлор, Орован и Полани в 30-х годах предположили возможность существования дефектов кристаллической решетки, которые способны двигаться под действием удивительно малых напряжений, вызывая пластическую дефор­мацию. Эти несовершенства решетки были названы дислокациями, а понятие подвижности дислокаций явилось тем недостающим зве­ном, которое, в конце концов, поставило теорию дислокаций над всеми предшествующими теориями.

Основанные на использовании этого понятия интенсивные ис­следования, проводившиеся более четверти века, убедительно доказали существование дислокаций во всех материалах.