Холодная деформация монокристаллов

Пластическая деформация реальных металлических тел – процесс исключительно сложный. Начнем рассмотрение с простейшей модели холодной пластической деформации монокристалла. Монокристалл – это такое кристаллическое образование, в котором нигде, кроме поверхности, не нарушено закономерное расположение атомов.

5.6

Модели деформации совершенных кристаллов. Рассмотрим модель механизма пластической деформации тела в виде кристалла с простой кубической решеткой. Нагрузим его так, чтобы напряженное состояние определялось шаровым тензором , причем σ_ср< 0. Теперь поставим вопрос, как тело будет деформироваться.

Выделим в теле элементарную ячейку кристаллической решетки. Если при деформации атомы из положений А переместятся в положения А^` (рис. 5.6) и параметр решетки уменьшится от а₀ до а_∂, между атомами возникнут силы отталкивания . При уменьшении параметра а силы  будут непрерывно и неограниченно увеличиваться. После снятия нагрузки атомы А возвратятся в исходные положения, а кристалл примет первоначальную форму и размеры. Значит, всесторонне равномерное сжатие не может привести к пластической деформации. Если σ_ср<0, то на начальных этапах деформации изменение расстояний между атомами будет обратимым и после разгрузки кристалл примет первоначальную форму и размеры. Однако если при деформации перейти границу r_кр, то внутренние силы взаимодействия между атомами не смогут уравновесить внешние нагрузки и кристалл разрушится. Следовательно, всестороннее равномерное растяжение также не приводит к пластической деформации, но при определенных условиях такая нагрузка может вызвать разрушение тела.

5.7

Теперь рассмотрим схему нагружения кристалла, при которой

и оси x, y, z совпадают с кристаллографическими осями. Выделим в теле небольшой элемент кристаллической решетки (рис. 5.7).

    Пока тело не нагружено, атомы занимают положения устойчивого равновесия, определяемые узлами кристаллической решетки (рис. 5.7, а). Под нагрузкой  тело деформируется, решетка искажается и атомы занимают новые положения (рис. 5.7, б). Расстояние между атомами А₁, А₃ уменьшаются, а между А₂, А₄ увеличиваются. В связи с этим между ними возникают силы взаимодействия R₁ и R₃, R₂ и R₄, горизонтальные составляющие которых Т₁ и Т₂, Т₃ и Т₄ уравновешивают внешние силы, вызывающие напряжение . С увеличение  решетка все больше искажается, увеличивается угол g_xz, возрастают силы взаимодействия R₁, R₂, R₃, R₄. Эти силы возрастают только до определенного уровня t_кр. После их снятия решетка вновь возвращается в первоначальное ненапряженное состояние. При достижении сил R₁, R₂, R₃, R₄ уровня t_пр все атомы, лежащие выше плоскости скольжения S, должны сместиться относительно атомов, лежащих ниже плоскости скольжения S, на расстояние а (рис. 5.7, в). Такая деформация называется скольжением и уже не является обратимой.

После разгрузки кристалл получает остаточную деформацию (рис. 5.7, г). Очевидно, что сдвиг верхней части кристалла в плоскости скольжения S относительно нижней на ka, где k – целое число, также приведет к равновесному состоянию кристалла. Естественен вопрос: является ли плоскость S (или другая, параллельная ей) единственно возможной плоскостью скольжения? Может ли деформация осуществляться по другим плоскостям, например А₁А₂ или А₁А₄ (рис. 5.7). Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что модуль сдвига G зависит от выбранного направления: для плоскостей, где атомы упакованы наиболее плотно, значение величины G наименьшее. Поэтому для плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов и напряжение t_кр наименьшее. Следовательно, такие плоскости – это плоскости наиболее легкого скольжения. Из рис. 5.7 следует, что плоскости А₁А₂ и А₁А₄ имеют наибольшую плотность упаковки атомов, а плоскости А₁А₃ и А₂А₄ – наименьшую. Поэтому под действием касательных напряжений скольжение возможно по плоскостям А₁А₂, А₁А₄ и мало вероятно по плоскостям А₁А₃, А₂А₄.

На основании детального анализа принятой модели пластической деформации можно сделать следующие выводы. Нормальные напряжения не приводят к пластической деформации, а вызывают упругое обратимое изменение размеров и объема тела. Касательные напряжения, не превышающие критического значения t_кр, также не вызывают пластической деформации. Тело деформируется упруго, подчиняясь закону Гука. Пластическая деформация осуществляется только в том случае, когда касательные напряжения достигают критического значения t_кр. Происходит она путем скольжения, т.е. сдвига одной части кристалла относительно другой, причем сдвиг должен быть кратным параметру решетки. Скольжение происходит в плоскости, наиболее плотно упакованной атомами.