Пластичність (властивість твердих тіл)
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Пластичність (властивість твердих тіл)

Пластичність (від греч.(грецький) plastikós — придатний для ліплення, податливий, пластичний), властивість твердих тіл необоротний змінювати свої розміри і форму (тобто пластично деформуватися) під дією механічних навантажень. П. кристалічних тіл (або матеріалів) пов'язана з дією різних мікроскопічних механізмів пластичної деформації, відносна роль кожного з яких визначається зовнішніми умовами: температурою навантаженням, швидкістю деформації. Ці механізми розглянуті в порядку збільшення числа атомів, що беруть участь в елементарному акті пластичної деформації.

загрузка...

  Самодіффузіонная і дифузійна П. Под дією стискуючих сил відбувається переміщення атомних шарів кристала з ділянок його поверхні, на які ці сили діють, на ділянки, де діють розтягуючі сили. Перенесення маси може здійснюватися за допомогою самодифузії по поверхні або через об'єм кристала. Якщо кристал не дуже малий, так що питома його поверхня (тобто відношення поверхні до об'єму) не дуже велика, об'ємна самодифузія є найбільш ефективним механізмом. Вона відбувається шляхом «розчинення», тобто проникнення атомів поверхневих шарів всередину кристала у вигляді міжвузольних атомів на ділянках стискування і «виділення» їх на ділянках, схильних до дії розтягуючих сил. Одночасно в протилежному напрямі йде потік вакансій, що народжуються в околиці додатка розтягуючих сил і анігілюють в місцях стискування. У більшості реальних випадків самодіффузіонная деформація в основному пов'язана з направленими потоками вакансій, які утворюються легше, ніж міжвузольні атоми ( мал. 1 ).

  В кристалі, що складається з атомів різного сорту, в однорідному полі напруги відбувається орієнтаційне впорядкування відносного розташування атомів ( мал. 2 , а) , внаслідок чого кристал набуває деякої залежної від міри впорядкованості деформації. Після зняття напруги впорядкований стан може бути невигідне, але воно деякий час зберігається, т.к. возврат в неврегульований стан відбувається із швидкістю дифузійних перескоків атомів. Якщо в кристалі створено неоднорідне поле напруги то атоми домішки більшого радіусу і міжвузольні атоми ( мал. 2 , би) прагнуть перейти в розтягнуті області грат, а меншого — в стислих; виникає неоднорідний розподіл концентрацій, що стабілізує вихідну неоднорідну деформацію. Максимальна деформація, яка може виникнути в результаті орієнтаційного впорядкування або концентраційної неоднорідності, обмежена складом кристала. Таким чином, самодіффузіонная і дифузійна деформації визначаються потоками точкових дефектів (вакансій, міжвузольних і домішкових атомів). У реальних умовах переміщення дефектів відбувається за рахунок теплових флуктуацій, частота яких швидко падає з пониженням температури. Тому ці механізми П. діють лише при досить високих температурах (не нижче 0,5 від абсолютної температури плавлення).

  Краудіонная П. обумовлена народженням і переміщенням краудіонів — згущувань атомів уподовж щільно упакованих рядів атомів в кристалі (див. Дефекти в кристалах ) . При втискуванні вістря в поверхню кристала ( мал. 3 ) матеріал із зони втискування віддаляється краудіонами, що «розбігаються» з-під вістря, внаслідок чого на деякій відстані від точки втискування створюється підвищена концентрація міжвузольних атомів.

  Дислокаційна П. Типовий вигляд пластичної деформації кристалів — ковзання по кристалографічній плоскості. Найбільш легке ковзання відбувається по щільноупакованій плоскості уздовж щільноупакованих напрямів. Ковзання за системою паралельної плоскості дає макроскопічне зрушення, а поєднання зрушень, відповідних ковзанню по різних системах, складає основну частину пластичної деформації кристалів. Ковзання відбувається неоднорідний: спочатку воно охоплює деяку область плоскості ковзання ( мал. 4 ), а потім кордони цієї області поширюються на всю плоскість. Кордон поширення ковзання називається дислокаційною лінією або дислокацією . Тому розвиток ковзання можна розглядати як освіта і переміщення дислокацій. Швидкість деформації пропорційна щільності (сумарній довжині дислокацій в одиниці об'єму) і швидкості переміщення дислокацій. У реальних кристалах в процесі їх освіти завжди виникають дислокації, які під дією напруги здатні збільшувати свою протяжність (розмноження дислокацій). Тому стадія утворення нових дислокацій лише у виняткових випадках лімітує ковзання (наприклад, початок деформації в без дислокаційних мікрокристалах). У останніх випадках розвиток ковзання визначається рухом дислокацій.

  Оскільки атоми поблизу дислокацій зміщені зі своїх положень рівноваги, переведення їх в нові положення рівноваги, що відповідають зрушенню кристала по плоскості ковзання на одну міжатомну відстань, вимагає значно менших витрат енергії, чим для атомів в неспотвореному кристалі. Енергетичний бар'єр для зсуву дислокації тим менше, чим більше зона спотворення в околиці дислокації. По рухливості дислокації всі матеріали діляться на 2 групи. У ковалентних кристалах цей бар'єр по порядку величини наближається до енергії міжатомних зв'язків і може бути здоланий лише за рахунок теплової активації (термічних флуктуацій). Тому рухливість дислокацій стає помітною лише при чималих температурах, а при помірних — ковалентні кристали непластичні. У металевих і іонних кристалах бар'єр для переміщення дислокації в 10 3 —10 4 разів менше енергії зв'язку і зникає при напрузі 10 -3 —10 -4 G (де G — модуль зрушення); при такій напрузі рух дислокацій не потребує теплової активації і їх рухливість слабо залежить від температури. Опір руху дислокацій в досконалій кристалічній решітці нехтує мало, чим обумовлена висока П. іонних і металевих кристалів.

  В реальних кристалах є різні дефекти (точкові дефекти, домішкові атоми, дислокації, частки інших фаз), і опір ковзанню залежить від взаємодії рухомих дислокацій з цими дефектами. У бездомішкових пластичних кристалах міждислокаційна взаємодія є основною. Частина опору ковзанню, пов'язана з безпосереднім зіткненням дислокацій, може бути зменшена за рахунок теплової активації, проте переважаюча частина обумовлена дальнодействующим взаємодією дислокацій через власні поля напруги, яка вони довкола себе створюють, і майже не залежить від температури. В результаті взаємодії один з одним дислокації гальмуються і зупиняються, тому для протікання деформації з постійною швидкістю необхідне безперервне народження нових дислокацій. Це приводить до постійного збільшення щільності дислокацій в кристалі, яка досягає 10 11 —10 12 см -2 ; відповідно зростає їх взаємний опір ковзанню — відбувається деформаційне зміцнення, або наклепання кристала.

  Розвиток міждислокаційної взаємодії відображає діаграма «напруга — деформація» ( мал. 5 ), яка в типових випадках виявляє 3 характерних ділянки, таких, що відповідають трьом основним стадіям еволюції дислокаційної структури.

  На стадії I (стадія легкого ковзання) щільність дислокацій відносно невелика, кожна дислокація до зупинки встигає пройті відстань, порівнянну з розміром всього кристала, і значна частина дислокацій виходить на поверхню кристала. Опір ковзанню обумовлений взаємодією окремих дислокацій, щільність яких зростає з деформацією відносно повільно, тому коефіцієнт зміцнення тут малий (~ 10 G ). Із збільшенням міри деформації і зростанням щільності дислокацій їх розподіл стає істотно неоднорідним: дислокації утворюють компактні скупчення в плоскості ковзання (стадія II ). Поля напруги від цих скупчень, у свою чергу, є причиною побічної пластичної деформації. Ета локальна, різним чином направлена деформація може не виявлятися загалом формоїзмененії кристала, але збільшує щільність дислокацій в результаті появи дислокацій у вторинних системах ковзання. Взаємодія дислокацій основної і вторинних систем приводить до утворення дислокаційних згущувань і формування дислокаційної комірчастої структури ( мал. 6 ). Впродовж всієї стадії II характер дислокаційної структури зберігається, зменшується лише розмір вічок; коефіцієнт зміцнення ~ 10 -2 G. З подальшим збільшенням щільності дислокацій відбувається «витискування» частини дислокацій з плоскості ковзання, в яких вони були розташовані; при цьому дислокації протилежних знаків зустрічаються і анігілюють. Відбувається розрядка дислокаційної щільності, що супроводиться падінням коефіцієнта зміцнення (стадія III ) . Паралельно починаються процеси порушення сплошності (утворення мікротріщин), які приводять зрештою до руйнування кристала, що визначає максимально досяжну величину пластичної деформації (див. Міцність ) .

  При високих температурах дислокаційний механізм П. поєднується з дифузійним і самодіффузіонним. У кристалах з домішками релаксація напруги в дислокацій або дислокаційних скупчень може здійснюватися в результаті перерозподілу домішкових атомів. Довкола дислокації утворюються домішкові «атмосфери» і дислокаційна П. падає (деформаційне старіння). Тому видалення домішок звичайне підвищує П. З іншого боку, дислокації є ефективними стоками і джерелами вакансій і міжвузольних атомів. Народження або анігіляція цих дефектів приводять до добудови або скорочення неповної атомної плоскості, що обривається на дислокаціях, і, отже, «переповзанню» дислокацій зі своєї плоскості ковзання. Потоки точкових дефектів між дислокаціями різного знаку приводять до самодіффузіонной пластичної деформації, а викликане цими потоками переповзання дислокацій дозволяє їм обійти перешкоди, лежачі в плоскості ковзання. Дорога ковзання, пройденний кожною дислокацією в умовах високотемпературної деформації, збільшується (в порівнянні із звичайними температурами, коли дифузійна рухливість мала). Процеси розрядки дислокаційної щільності унаслідок взаємної анігіляції дислокацій протікають інтенсивніше, деформаційне зміцнення падає і деформація розвивається при постійному навантаженні ( повзучість ) .

  Двійникування. Цей механізм пов'язаний з деформацією елементарного вічка кристала, частині кристала, що приводить до зміни орієнтування, відносно сил (див. також Двійникування ) , що діють . Переорієнтована частина кристала зазнає відносно вихідного кристала двійникове зрушення, величина якого визначається симетрією кристалічної решітки. У реальних умовах розвиток деформації відбувається шляхом зародження і поширення у вихідному кристалі прошарків двійникової компоненти. Якщо двійниковий прошарок закінчується усередині кристала, в її кінців виникають поля напруги; взаємодія двійників приводить до деформаційного зміцнення. У деяких кристалах, наприклад кальциті, двійникування — основний механізм пластичної деформації, але звичайне двійникування розвивається переважно при низьких температурах, коли ковзання утруднене і створюються умови для локальної концентрації напруги, необхідної для зародження двійників.

  П. унаслідок протікання фазового перетворення. Необоротна зміна форми може бути також результатом освіти під навантаженням нової фази, що має іншу кристалічну решітку, чим вихідний кристал. При цьому вихідна фаза має бути метастабільна (див. Метастабільний стан ) по відношенню до тієї, що утворюється, принаймні при дії механічної напруги. Оскільки відносна стабільність залежить також від температури, П. в цьому випадку істотно залежить від температури деформації по відношенню до температури рівноваги фаз. У певних випадках, зменшуючи стабільність фази, що утворилася під навантаженням, за рахунок зміни температури, можна знищити отриману при перетворенні деформацію: кристал повертається до вихідної форми («ефект пам'яті»).

  В полікрісталлах дію розглянутих механізмів пластичної деформації усередині зерен ускладнено взаємодією між зернами. Деформація полікристала є сумарний результат деформації в багатьох різно орієнтованих відносно навантажень і зерен, що знаходяться в різних умовах. Тому розвиток деформації не має чітко вираженого стадійного характеру, як деформації монокристалів ( мал. 5 ). Межзеренниє кордони перешкоджають поширенню дислокацій і, як правило, зміцнюють кристалічні тіла при низьких температурах. Навпаки, при високих температурах наявність кордонів, що є джерелами або стоками дефектів, підвищує П. Сочетаніє дислокаційної і самодіффузіонной деформацій в прикордонних областях приводить до їх високої П., такої, що виявляється в специфічному механізмі високотемпературної деформації полікрісталлов — «прослизанні» по кордонах зерен. Переміщення зерен один відносно одного відбувається подібно до руху часток в сипких матеріалах і в деяких випадках забезпечує деформацію до 1000% («надпластичність»). Висока П. може досягатися також, якщо в ході деформації встигає проходіть рекристалізація, що приводить до видалення найбільш спотворених і, отже, найменш пластичних зерен, які поглинаються зростаючими зернами з досконалішою структурою. Постійне відновлення П. за рахунок рекристалізації широко використовується на практиці при гарячій обробці металів.

  П. простих аморфних тіл пов'язана з дифузійними перегрупуваннями атомів і молекул. П. ряду речовин пов'язана з пересуванням твердих часток, що не деформуються, один відносно одного в деякій в'язкому середовищу. До такого роду явищам можна віднести П. глин, сипких тіл, змочених водою, і т.п.

  Вивчення П. представляє великий практичний інтерес, т.к. делаєт можливим раціональний вибір технічних матеріалів, до П. яких зазвичай пред'являється цілий комплекс вимог як при обробці, так і при експлуатації їх в різних умовах. Вивченням різних аспектів П. займається ряд фізико-математичних і теоретичних дисциплін: фізика твердого тіла (зокрема, теорія дислокацій) досліджує мікроскопічні механізми П., механіка суцільних середовищ (теорії пластичності і повзучості) розглядає П. тіл, абстрагуючись від їх атомно-кристалічної структури, опір матеріалів і ін.

  Літ.: Фрідель Же., Дислокації [кристалів], пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Фізика деформаційного зміцнення монокристалів, До., 1972; Набарро Ф. Р., Базінський З. С. Холт Д. Би., Пластичність монокристалів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Хоникомб Р., Пластична деформація металів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972.

  А. Л. Ройтбурд.

Мал. 6. Схема розташування дислокації на стадії II пластичної деформації.

Мал. 1. Самодіффузіонная пластичність: I — кристал з вакансіями в перший момент дії напруги s (тонкими стрілками показані напрями переміщень атомів); II — деформація унаслідок потоку вакансій під дією напруги; III — кінцева деформація кристала.

Мал. 3. Краудіонная пластичність: I — кристал до втискування; II — утворення краудіонів при втискуванні вістря; III — кінцева зміна форми. У кристалі утворилися міжвузольні атоми.

Мал. 5. Діаграма «напруга — деформація» для монокристала цинку.

Мал. 4. Елементарне ковзання в результаті переміщення дислокації.

Мал. 2. Дифузійна пластичність: а — орієнтаційне впорядкування домішкових атомів (чорні кухлі) в однорідному полі напруги; б — перерозподіл домішкових атомів в неоднорідному полі напруги; I — вихідний кристал; II — кристал з домішковими атомами під дією напруги; III — кінцева деформація кристала.