Пластическая деформация. Упрочнение и разупрочнение металла. Сублимооскопическая картина пластической деформации.

Приложение внешней нагрузки вызывает упругую, а затем и пластическую деформацию металлов. Для области упругой деформации характерно полное соответствие изменений напряжения и деформации, распространяющейся в твёрдом теле со скоростью звука, т.е. практически мгновенно. При приложении внешних сил нарушается равновесие сил взаимодействия атомов, и для его восстановления атомы незначительно смещаются в новые, но тоже устойчивые положения. При снятии внешней нагрузки атомы возвращаются в прежнее устойчивое положение, соответствующее нормальному строению кристаллической решетки. При этом твёрдое тело вновь приобретает начальную форму. Максимальная величина упругих деформаций очень мала: обычно относительная деформация по порядку величины не превышает 10^-3.

При превышении относительной деформации кристаллов порядка 10^-3-10^-4 начинается пластичное течение металла, при котором атомы, участвующие в этом процессе, окончательно перемещаются из одного места решетки в другое.

Сдвигообразование в кристалле, развивающееся под действием внешней силы, в основном представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения и выход их на поверхность кристалла. Однако смещение первичных дислокаций ограничено и не может вызвать образование углов сдвигов более одного градуса, в то время как в действительности при пластический деформации кристаллов наблюдается появление углов сдвигов, значительно превышающих указанную величину.

Большая пластическая деформация металла происходит потому, что при смещении первичных дислокаций возникают новые дислокации, то есть происходит размножение дислокаций. При этом многие первичные дислокации не принимают участие в начальной деформации, так как они сильно заблокированы теми или иными препятствиями и новые дислокации возникают легче, чем приходят в движение эти заторможенные дислокации.

Если бы сдвигообразование происходило только за счет выхода дислокаций, уже имеющихся в кристалле, то процесс пластического деформирования приводил бы к истощению дислокаций и переводу кристалла в более совершенное состояние. В противоположность этому с ростом степени деформации искажение решетки не уменьшается, а возрастает и соответственно увеличивается и плотность дислокаций. Такое явление объясняется тем, что в процессе пластической деформации под действием внешних сил происходит дополнительное генерирование дислокаций. Механизм такого генерирования был открыт в 1950 году Франком и Ридом.

Рис. 7.4. Последовательные стадии действия источника Франка-Рида

На рисунке 7.4 показана линейная дислокация DD', расположенная в плоскости скольжения; точки D и D', закреплены неподвижно и в перемещении дислокации не участвуют. Такое закрепление может произойти в местах пересечения данной дислокации с другими дислокациями, на примесных атомах и так далее. Под действием внешнего напряжения дислокация начинает выгибаться подобно мыльной плёнке и в какой-то момент времени принимает форму полуокружности (рис. 7.3, б). Выгибание дислокации может происходить лишь при непрерывно растущем напряжении. Максимального значения t достигает, в момент, когда дислокация принимает форму полуокружности. В связи с этим дальнейшее её развитие происходит самопроизвольно посредством образования двух спиралей (рис. 7.4, в), которые после встречи в точке С (рис. 7.4, г) приводят к разделению дислокации на две: на внешнюю, замыкающуюся в виде наружной окружности (рис. 7.4, д), и на внутреннюю, приходящую в первоначальное положение DD’. Наружная дислокация разрастается до внешней поверхности кристалла и приводит к элементарному сдвигу; внутренняя, заняв исходное положение DD’ под действием напряжения начинает снова выгибаться и разрастаться, то есть так, как описано выше. Такой процесс может повторяться какое угодно число раз, обеспечивая появление на данной плоскости скольжения заметного смещения одной части кристалла относительно другой. По данным разных исследований из одного источника может образоваться до тысячи новых дислокаций.

Интенсивность генерирования новых дислокаций сильно зависит от уровня приложенных напряжений; при его повышении в 1,4 раза наблюдалось увеличение плотности новых дислокаций в 1000 раз.

Дислокации влияют на плотность, электро- и теплопроводность, а также на внутреннюю энергию и приводят к увеличению объёма вследствие эффектов упругости второго порядка. Так как дислокации представляют собой нарушение регулярности кристаллической решётки, они рассеивают электроны и фотоны и уменьшают электро- и теплопроводность.