Яндекс.Метрика
©2014 Методичкус

Причины и механизм образования пластических деформаций

Напомним, что при приложении к твердому телу внешней силы, величина которой превышает предел текучести sТ, возникает пластическая деформация, образующаяся в результате скольжения некоторых плоскостей атомной решетки благодаря напряжению сдвига. Напряжение, необходимое для смещения ряда атомов вдоль некоторой плоскости, как показано на рис. 4.18, теоретически можно определить по формуле

sТ = (G/2p)(b/h),

где G – модуль сдвига;

b – расстояние между атомами в направлении скольжения;

h – расстояние между плоскостями скольжения.

Рис. 4.18. Отклонения в расположении атомов под воздействием напряжения сдвига

Следует заметить, что во время скольжения плоскостей каждый атом перемещается не вдоль прямой линии расположения соседних атомов, где необходимо преодолевать высокий энергетический барьер, а по зигзагу через места с низкими энергетическими барьерами, и поэтому значение sТ должно быть на порядок ниже. Например, для Al2O3 теоретическое значение sТ = 1,7·105 МПа, а реальное ~ 104 МПа, т.е. в 17 раз меньше. Тот факт, что экспериментальные значения оказываются гораздо меньше теоретических, можно отнести почти ко всем другим твердым материалам, а также металлам.

Способность различных материалов к пластической деформации и механизм ее образования можно объяснить с помощью понятия «дислокации».

Если к кристаллу приложить усилие, вызывающее напряжение сдвига, то происходит скольжение его верхней и нижней части во взаимно противоположных направлениях, в результате чего возникают дислокации, т.е. линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Поскольку дислокация в кристалле обладает собственным полем напряжений, возникающем от действия внешних сил, она также испытывает силу, под действием которой приходит в движение, результатом чего является взаимное «проскальзование» атомных плоскостей или пластическая деформация.

Плоскость скольжения возникает в кристалле лишь на участках со слабой связью между атомами. При этом скольжение происходит в направлении самого низкого энергетического барьера, который необходимо преодолеть. Механизм скольжения, основанный на движении дислокаций, можно сопоставить с перемещением по полу ковра с предварительно созданной складкой (рис. 4.19).

Рис. 4.19.Механизм скольжения как перемещение дислокаций: а – стабильные дислокации; б – перемещение дислокаций в направлении наименьшего энергетического барьера (Аxx1y1yБ)

Совокупность плоскости скольжения и направления скольжения, называется системой скольжения. Системы скольжения различаются в зависимости от типа кристаллической решетки (рис. 4.20). Поскольку в кристаллах имеется 4 типа равнозначных плоскостей и 3 направления скольжения, то всего существует 12 систем скольжения. Если приложить к кристаллу внешнюю силу в каком-то направлении, то на скольжение в кристалле будут эффективно влиять только те составляющие внешней силы, которые соответствуют системам скольжения. Исходя из этого можно заключить, что чем больше вероятность реализации системы скольжения, тем выше пластические деформации кристалла. Очевидно, что в металлах такая вероятность значительно выше, чем в природных каменных материалах и керамике.

Рис. 4.20.Системы скольжения в кристаллах типа NaCl

Подвижность дислокаций, обеспечивающая пластические свойства кристалла, ограничивается не только прочностью межатомных связей, но и рассеянием фононов и электронов проводимости в упруго искаженной области кристалла, окружающей движущиеся дислокации. Кроме того, движению дислокации мешают также упругое взаимодействие с другими дислокациями и с примесными атомами, межзеренные границы в поликристаллах и др. На преодоление этих препятствий затрачивается часть работы внешних сил. Из этого следует, что реальный кристалл (с дислокациями) «мягче» или пластичнее бездефектного, но если плотность дислокаций становится выше критического значения, он становится более прочным, но «жестким».

Дислокации, как и другие дефекты кристаллов влияют не только на такие их свойства, как пластичность и прочность, но и на другие физические свойства кристаллов. Например, с увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее трение, изменяются оптические свойства, повышается электрическое сопротивление (металлов). Дислокации увеличивают скорость диффузии в кристаллах, ускоряют процессы старения, увеличивают химическую активность и уменьшают стойкость кристаллических структур в различных средах.

Нравится
 
скачать фильмы бесплатно без регистрации.