Дислокационный механизм упругопластической деформации

При упругопластической деформации под действием внешней силы не­обратимо изменяются форма и размеры изготовленной из металла детали или испытуемого образца. Во время этой деформации, которую обычно назы­вают пластической, зерна металла под действием силы Р расслаиваются на пачки скольжения. Образующиеся пачки смещаются друг относительно друга, что при-

водит к вытягиванию зерен в волокна (рис. 1.10).

В волокнистой структуре между волокнами располагаются различные разделяющие волокна включения, из-за которых пластически деформиро­ванный металл анизотропен. Его прочность на разрыв вдоль волокон оказывается выше, чем поперек.

Рис. 1.10. Схема пластической дефор­мации отдельного зерна металла

Образованию и перемещению па­чек скольжения в зернах предшествует лавинообразный процесс передвижения дислокаций по определенным плоско­стям-системам скольжения в кристалли­ческой решетке. Системы скольжения включают те параллельные плоскости, по которым могут передвигаться дис­локации. Насчитывается до трех действующих систем. Наиболее легкие ус­ловия скольжения в первой, самые трудные — в третьей.

На рис. 1.11 изображена принципиальная схема передвижения одной из многочисленных дислокаций к границе зерна под действием сдвигового на­пряжения т. Экстраплоскость 1 —/, содержащая дислокацию, под действием напряжения оттесняет противолежащую полуплоскость 2 — 2 в промежуточ­ное положение и таким образом превращает ее в новую экстраплоскость. При этом полуплоскость Г—Г становится продолжением бывшей экстра­плоскости 1 — 1 (рис. 1.11, а, б).

Описанный процесс повторяется с экстраплоскостями и их дислокация­ми до тех пор, пока экстраплоскость 4 — 4 не выйдет за границу зерна, обра­зуя при этом ступеньку величиной с параметр решетки (рис. 1.11, б, в, г).

При эстафетном передвижении экстраплоскости и дислокации каждый раз разрывается только одна связь между атомами, находящимися по разные стороны от плоскости сдвига S—S. Связи между остальными парами атомов, выходящими к данной плоскости сдвига, не разрываются. По мере выхода на границу зерна новых дислокаций образующаяся ступенька растет, превраща­ясь в зародыш сдвига. Описанное в сочетании с аналогичными процессами вдоль соседних плоскостей сдвига приводит к формированию в зернах и вза­имному передвижению пачек скольжения.

В течение процесса пластической деформации металла в кристаллической решетке его зерен под действием приложенного напряжения перемещаются не только «старые» дислокации, существовавшие в металле до начала деформации. Под действием этого напряжения, которое по мере развития пластической де­формации возрастает, в решетке возникает огромное количество новых дислока­ций, создаваемых источниками Франка—Рида. Новые дислокации, возникнув,

включаются в работу ме­ханизма пластической деформации.

Рис. 1.11. Схема работы дислокационного механизма пластической деформации (эстафетное движение к границе зерна под действием напряжения т)

Генерирование но-вьк дислокаций в про­цессе пластической де­формации источниками Франка—Рида происхо­дит непрерывно. Поэтому количество дислокаций на границах зерен, воз­растая, достигает крити­ческой величины. Вслед­ствие этого на какой-то стадии развития пласти­ческой деформации в местах скопления дисло­каций и сдвигов пачек скольжения на границах зерен возникают зароды­ши трещин. Зародыши, которые раньше других достигают критических размеров, превращаются в быстро распространяю­щиеся трещины, что и приводит металл к разрушению.

Знание дислокационной природы и особенностей механизма пластической деформации металла позволяет уяснить важный вопрос о причине более высокой прочности мелкозернистого металла по сравнению с крупнозернистым.

Вытягивание зерен в процессе деформации связано с выходом на их границы дислокаций, а также с перемещением пачек скольжения. Оно со­провождается поворотом самих расслаивающихся зерен под действием внешней силы. Однако этим элементарным процессам препятствуют грани­цы соседних зерен. Чем мельче зерна, тем больше суммарная площадь их границ и тем больше сопротивление пластической деформации. Влияние размера зерна d на одну из характеристик прочности металла — предел те­кучести ст_т — отражено в формуле Холла—Петча:

<т„ = о„ +,

kJJd,

где от

прочность монокристалла;

коэффициент зернограничного

упрочнения.

Размером зерна металла можно целенаправленно управлять путем изме­нения условий кристаллизации или применением термической обработки.