Контакты 244851268 Телефон 8(067)6446674
Логин: Пароль: Код проверки: captcha >>Забыли пароль?

Поиск

>>Расширенный

Категории

Новости

Вы здесь: Начало > Новости

Пластичність (властивість твердих тіл)

Пласт і чностью (від грец. Plastik ó s - придатний для ліплення, податливий, пластичний), властивість твердих тіл необоротно змінювати свої розміри і форму (т. Е. 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 деформування. Ці механізми розглянуті в порядку збільшення числа атомів, що беруть участь в елементарному акті пластичної деформації.

Самодіффузіонная і дифузійна П. Під дією стискаючих 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 надто малий, так що питома його поверхня (т. Е. Ставлення поверхні до об'єму) не дуже велика, об'ємна самодифузія є найбільш ефективним механізмом. Вона відбувається шляхом «розчинення», т. Е. Проникнення атомів поверхневих шарів всередину кристала у вигляді междоузельних атомів на ділянках стискування і «виділення» їх на ділянках, схильних до дії розтягуючих сил. Одночасно в протилежному напрямку 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 (рис. 1).

У кристалі, що складається з атомів різного сорту, в однорідному полі напружень відбувається орієнтаційне впорядкування відносного розташування атомів (рис. 2, а), в результаті чого кристал набуває деякої залежить від ступеня впорядкованості деформацію. Після зняття напружень упорядкований стан може бути невигідно, але воно деякий час зберігається, тому що повернення в невпорядковане стан відбувається зі швидкістю дифузійних перескоків атомів. Якщо в кристалі створено неоднорідне поле напруг, то атоми домішки більшого радіусу і міжвузольні атоми (рис. 2, б) прагнуть перейти в розтягнуті області грат, а меншого - в стислі; виникає неоднорідний розподіл концентрацій, стабілізуючий вихідну неоднорідну деформацію. Максимальна деформація, яка може виникнути в результаті орієнтаційної упорядкування або концентраційної неоднорідності, обмежена складом кристала. Таким чином, самодіффузіонная і дифузійна деформації визначаються потоками точкових дефектів (вакансій, міжвузлових і домішкових атомів). В реальних умовах переміщення дефектів відбувається за рахунок теплових флуктуацій, частота яких швидко падає з пониженням температури. Тому ці механізми П. діють тільки при достатньо високих температурах (не нижче 0,5 від абсолютної температури плавлення).

Краудіонів П. обумовлена ​​народженням і переміщенням краудіонів - згущення атомів уздовж щільно упакованих рядів атомів в кристалі (див. Дефекти в кристалах ). При вдавливании вістря в поверхню кристала (рис. 3) матеріал із зони втискування віддаляється «розбігаються» з-під вістря краудіонів, в результаті чого на деякій відстані від точки втискування створюється підвищена концентрація міжвузлових атомів.

Дислокаційна П. Типовий вигляд пластичної деформації кристалів - ковзання по кристалографічних площинах. Найбільш легко ковзання відбувається по щільноупакована площинах уздовж щільноупакованих напрямків. Ковзання по системі паралельних площин дає макроскопічний зрушення, а поєднання зрушень, відповідних ковзанню по різним системам, становить основну частину пластичної деформації кристалів. Ковзання відбувається неоднорідно: спочатку воно охоплює деяку область площині ковзання (рис. 4), а потім межі цієї області поширюються на всю площину. Кордон поширення ковзання називається дислокационной лінією або дислокацією . Тому розвиток ковзання можна розглядати як утворення 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 напруг здатні збільшувати свою протяжність (розмноження дислокацій). Тому стадія утворення нових дислокацій лише у виняткових випадках лімітує ковзання (наприклад, початок деформації в без дислокаційних мікрокристалах). В інших 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 площині ковзання на одне міжатомна відстань, вимагає значно менших витрат енергії, ніж для атомів в неспотвореному кристалі. Енергетичний бар'єр для зсуву дислокації тим менше, чим більше зона спотворення в околиці дислокації. За 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 подолана тільки за рахунок теплової активації (термічних флуктуацій). Тому рухливість дислокацій стає помітною лише при досить високих температурах, а при помірних - ковалентні кристали непластичною. У металевих і іонних кристалах бар'єр для переміщення дислокації в 103-104 разів менше енергії зв'язку і зникає при напрузі 10-3-10-4 G (де G - модуль зсуву); при таких напружених рух дислокацій не потребує теплової активації і їх рухливість слабо залежить від температури. Опір руху дислокацій в досконалій кристалічній решітці дуже малий, чим обумовлена ​​висока П. іонних і металевих кристалів.

У 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 междіслокаціонное взаємодія є основним. Частина опору ковзанню, пов'язана з безпосереднім зіткненням дислокацій, може бути зменшена за рахунок теплової активації, однак переважна частина обумовлена ​​дальнодействием взаємодією дислокацій через власні поля напружень, які вони навколо 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 призводить до постійного збільшення щільності дислокацій в кристалі, яка досягає 1011-1012 см -2; відповідно зростає їх взаємне опір ковзанню - відбувається деформаційне зміцнення, або наклеп кристала.

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

На стадії I (стадія легкого ковзання) щільність дислокацій відносно невелика, кожна дислокація до зупинки встигає пройти відстань, порівнянне 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-з G). Зі збільшенням ступеня деформації і зростанням щільності дислокацій їх розподіл стає істотно неоднорідним: дислокації утворюють компактні скупчення в площинах ковзання (стадія II). Поля напружень від цих скупчень, в свою чергу, є причиною побічної пластичної деформації. Ця локальна, різним чином спрямована деформація може не виявлятися в загальному Формозміна кристала, але збільшує щільність дислокацій в результаті появи дислокацій у вторинних системах ковзання. Взаємодія дислокацій основної і вторинних систем приводить до утворення дислокаційних згущень і формування дислокаційної комірчастої структури (рис. 6). Протягом всієї стадії II характер дислокаційної структури зберігається, зменшується тільки розмір осередків; коефіцієнт зміцнення ~ 10-2 G. З подальшим збільшенням щільності дислокацій відбувається «видавлювання» частини дислокацій з площин ковзання, в яких вони були розташовані; при цьому дислокації протилежних знаків зустрічаються і анігілюють. Відбувається розрядка дислокаційної щільності, що супроводжується падінням коефіцієнта зміцнення (стадія III). Паралельно починаються процеси порушення цілісності (утворення мікротріщин), які приводять зрештою до руйнування кристала, який визначає максимально досяжну величину пластичної деформації (див. міцність ).

При високих температурах дислокаційний механізм П. поєднується з дифузійним і самодіффузіонним. У кристалах з домішками релаксація напружень у дислокацій або дислокаційних скупчень може здійснюватися в результаті перерозподілу домішкових атомів. Навколо дислокації утворюються домішкові «атмосфери» і дислокаційна П. падає (деформаційне старіння). Тому видалення домішок зазвичай підвищує П. З іншого боку, дислокації є ефективними стоками і джерелами вакансій і міжвузлових атомів. Народження або анігіляція цих дефектів приводять до добудови або скорочення обриваються на дислокаціях неповних атомних площин і, отже, «переповзанню» дислокацій зі своєї площині ковзання. Потоки точкових дефектів між дислокаціями різного знаку приводять до самодіффузіонной пластичної деформації, а викликане цими потоками переповзання дислокацій дозволяє їм обійти перешкоди, що лежать в площині ковзання. Шлях ковзання, пройдений кожної дислокацією в умовах високотемпературної деформації, збільшується (в порівнянні зі 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 осередку кристала, що приводить до зміни орієнтування частини кристала щодо діючих сил (див. Також Двійникування ). Переорієнтована частина кристала зазнає відносно вихідного кристала двійникові зрушення, величина якого визначається симетрією кристалічної решітки. В реальних умовах розвиток деформації відбувається шляхом зародження і поширення в вихідному кристалі прошарків двійникової компоненти. Якщо двійникові прошарок закінчується усередині кристала, у її кінців виникають поля напружень; взаємодія двійників приводить до деформаційного зміцнення. У деяких кристалах, наприклад кальциті, двойникование - основний механізм пластичної деформації, але зазвичай двойникование розвивається переважно при низьких температурах, коли ковзання утруднене і створюються умови для локальної концентрації напруг, необхідної для зародження двійників.

П. внаслідок протікання фазового перетворення. Необоротне зміна форми може бути також результатом освіти під навантаженням нової фази, що має іншу кристалічну решітку, ніж вихідний кристал. При цьому вихідна фаза повинна бути метастабильна (див. метастабільний стан ) По відношенню до утворюється, принаймні при дії механічних напружень. Оскільки відносна стабільність залежить також від температури, П. в цьому випадку істотно залежить від температури деформування по відношенню до температури рівноваги фаз. У певних випадках, зменшуючи стабільність утворилася під навантаженням фази за рахунок зміни температури, можна знищити отриману при перетворенні деформацію: кристал повертається до вихідної форми ( «ефект пам'яті»).

У полікристалах дію розглянутих механізмів пластичної деформації всередині зерен ускладнено взаємодією між зернами. Деформація полікристала є сумарний результат деформації в багатьох різно орієнтованих відносно навантажень і знаходяться в різних умовах зерен. Тому розвиток деформації не має чітко вираженого стадійного характеру, як деформації монокристалів (рис. 5). Межзеренное кордону 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. Поєднання дислокационной і самодіффузіонной деформацій в прикордонних областях призводить до їх високої П., що виявляється в специфічному механізмі високотемпературної деформації полікристалів - «прослизанні» по кордонах зерен. Переміщення зерен один відносно одного відбувається подібно до руху частинок в сипучих матеріалах і в деяких випадках забезпечує деформацію до 1000% ( «сверхпластичность»). Висока П. може досягатися також, якщо в ході деформування встигає проходити рекристаллизация , Яка веде 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 не деформуються твердих частинок один щодо одного в деякій в'язкому середовищі. До такого роду явищам можна віднести П. глин, сипких тіл, змочених водою, і т.п.

Вивчення П. представляє великий практичний інтерес, тому що уможливлює 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. тел, абстрагуючись від їх атомно-кристалічної структури, опір матеріалів та ін.

Літ .: Фрідель Ж., дислокації [кристалів], пров. з англ., М., 1967; Фізика деформаційного зміцнення монокристалів, К., 1972; Набарро Ф. Р., Базінскій З. С., Холт Д. Б., Пластичність монокристалів, пров. з англ., М., 1967; Хонікомб Р., Пластична деформація металів, пров. з англ., М., 1972.

А. Л. Ройтбурд.

Ройтбурд

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

Схема розташування дислокації на стадії II пластичної деформації

Мал. 1. Самодіффузіонная пластичність: I - кристал з вакансіями в перший момент дії напружень s (тонкими стрілками показані напрямки переміщень атомів); II - деформація внаслідок потоку вакансій під дією напруг; III - кінцева деформація кристала.

Самодіффузіонная пластичність: I - кристал з вакансіями в перший момент дії напружень s (тонкими стрілками показані напрямки переміщень атомів);  II - деформація внаслідок потоку вакансій під дією напруг;  III - кінцева деформація кристала

Мал. 3. краудіонів пластичність: I - кристал до втискування; II - утворення краудіонів при вдавливании вістря; III - кінцеве зміна форми. У кристалі утворилися міжвузольні атоми.

У кристалі утворилися міжвузольні атоми

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

Діаграма «напруга - деформація» для монокристала цинку

Мал. 4. Елементарне ковзання в результаті переміщення дислокації.

Елементарне ковзання в результаті переміщення дислокації

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