Дислокації в кристалах, що представляють собою один з найбільш важливих типів дефектів, тісно пов'язані з механічним поведінкою твердих кристалічних тіл і грають важливу роль в розумінні процесів деформування і руйнування твердих тіл.
В першу чергу, існування фізичних дислокацій в кристалах дає можливість зрозуміти, як може починатися руйнування і яким чином йде процес пластичної релаксації при наявності в тел ?? е тріщин і мікродефектів різної природи.
По-друге, поняття дислокації дозволяє описати пластичне деформування розглядається середовища і дати математичне уявлення для формуються в ній тріщин.
З макроскопічної точки зору пластичні деформації можна виявити по зміні розмірів тіла після зняття навантаження, а також за наявністю ліній ковзання на поверхні монокристала. Тип, форма і величина деформацій залежать від геометрії тіла, температури і швидкості деформацій. Чи буде тіло мати пластичні деформації чи ні, залежить від напруги і властивостей матеріалу, а також від можливих обмежень руху, що накладаються навантаженням і поверхнею тіла.
Середовище може деформуватися однорідний і неоднорідний, що позначається на распредел ?? еніі напруг, тоді як поле напружень визначається геометрією тіла і способом прикладання навантаження.
У полікристалічної середовищі неоднорідні пластичні деформації також проявляються у вигляді ліній ковзання, які видно на поверхні тіла і розташовуються в площинах найбільших дотичних напружень. В процесі деформування локалізовані області пластичних деформацій збільшуються, утворюючи нові області, поки тіло повністю не перейде в пластичний стан.
З мікроскопічної точки зору пластичне деформування характеризується виникненням деформацій і руйнуванням зерен, ковзанням по кристалографічних площинах, освітою смуг ковзання та двійникуванням.
Скольженіеявляется найбільш часто зустрічається типом деформування (ріс.1.14). Отже, ковзанням, або трансляцією, прийнято називати зміщення однієї частини кристала щодо іншої по кристалографічних площинах, определ ?? енним чином орієнтованим в кристалі.
Уявімо, що поряд з ковзанням по одній определ ?? енной площині відбувається ковзання з тим же кроком по вс ?? їм наступним площинах. Тоді виникають деформації зсуву, внаслідок чого при деякому значенні зсуву частини кристалічної решітки утворюється кристалічна решітка, дзеркально симетрична по відношенню до вихідної решітці. У цьому випадку говорять про механічне двійникування (ріс.1.14б). Отже, двійникуванням прийнято називати процес зміщення частини решітки кристала, в результаті якого обидві її частини орієнтуються симетрично щодо деякої площини. Двійник нескінченно малої товщини (# 948; → 0) формально еквівалентний дефекту упаковки кристалічної решітки.
Мал. 1.14. Схеми деформування кристала при ковзанні (а) і Двійникування (б):
ПС - площину ковзання; ПД - площину двойникования
Процес двойникования відбувається при определ ?? енних критичних дотичних напруженнях двойникования. Зростання швидкості деформацій або зниження температури сприяє утворенню і поширенню двійників. У порівнянні з ковзанням при звичайному статичному і квазістатичному навантаженні двойникование займає другорядне становище: деформації, що виникли внаслідок двойникования, нд ?? егда менше деформацій ковзання. Роль двойникования зростає, в разі якщо ковзання неможливо або сильно ускладнене, наприклад при високошвидкісному деформування.
Рух дислокації може припинитися, в разі якщо на її шляху зустрінеться інший дефект кристала, так званий стопор. для проходження якого потрібно багато енергії. Це той механізм, який повідомляє міцність недосконалим кристалів металу. Кристали чистого жел ?? еза зовсім ?? їм''мягкіе'', але невелика концентрація атомів домішок може викликати достатню кількість дефектів, що протистоять руху дислокацій, утворення розвинених площин ковзання та інтенсивному пластичного течією матеріалу. З цієї причини для отримання стали до жел ?? Єзу при плавці додають трохи вуглецю, який при охолодженні утворює в решітці безліч мікроскопічних порушень. Дислокації вже не можуть вільно переміщатися, і метал стає більш твердим і міцним.
Отже, механічні властивості металів залежать від щільності дислокацій і особливо від їх здатності до переміщення і розмноженню (ріс.1.15).
Щільність дислокацій та інших перекручень
Мал. 1.15. Міцність кристала виходячи з дефектів решітки
Розглянемо докладніше дислокаційний механізм пластичної деформації.
При деформації металу відстані між атомами під дією зовнішніх сил змінюються по определ ?? енним напрямками, лінії і площини, що проходять через атоми, викривляються, кристалічна решітка спотворюється. Так як при цьому равнодействующие сил тяжіння і відштовхування між атомами вже не дорівнюють нулю, то в решітці будуть діяти внутрішні сили, які прагнуть повернути атоми в положення рівноваги. Залежність між малими зсувами атомів і силами взаємодії з певним ступенем наближення можна вважати лин ?? єйної. Сумарно це проявляється в лин ?? єйної залежності між зміщеннями точок тіла і зовнішніми силами, яка виражається законом Гука.
При усуненні зовнішніх сил атоми знову займають свої колишні місця в кристалічній решітці, внаслідок чого відбувається пружне відновлення форми металевого тіла. Так пояснюється пружна деформація.
У разі якщо зовнішні сили збільшуються, то зростають і внутрішні. Тоді в зернах металу відбувається зміщення однієї частини щодо іншої. Дослідженнями встановлено, що воно відбувається по площинах і напрямах, уздовж яких атоми розташовуються найбільш щільно.
Розглянемо механізм утворення пластичної деформації в межах одного кристала з досконалою кристалічною решіткою, спрощена модель якої зображена на рис. 1.16, а.
Мал. 1.16. Схема роботи дислокационного механізму пластичної деформації
(Естафетної рух до кордону зерна під дією # 964;)
Нехай в такий решітці верхній шар атомів зміщується щодо нижнього по площині А-А. У разі якщо припустити, що в процесі зсуву кристалічна решітка не спотворюється, т. Е. В частинах її вище і нижче площини А-А відстані між атомами залишаються незмінними, то можна прийти до висновку, що вс ?? е атоми верхнього шару зміщуються щодо нижнього одночасно і на одну і ту ж величину.
Поки взаємний зсув u (рис. 1.16б), зростаючи, залишається менше половини відстані між атомами (а / 2), сили взаємодії між ними перешкоджають здвигу. Як тільки це зміщення перевищить відстань а / 2. сили взаємодії починають сприяти зсуву решітки в новий стійкий стан рівноваги. Пластична деформація відбудеться в результаті зсуву частини решітки на відстані, кратні а (рис. 1.16в). Найменша пластична деформація відповідає зсуву на а. В результаті таких зсувів кожен попередній атом займає місце подальшого, нд ?? е атоми виявляються на місцях, властивих даної кристалічній решітці. Кристал зберігає свої властивості, змінюючи лише конфігурацію.
Протягом процесу пластичної деформації металу в кристалічній решітці його зерен під дією прикладеної напруги переміщаються не тільки''старие'' дислокації, що існували в металі до початку деформації. Під дією цієї напруги, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ в міру розвитку пластичної деформації зростає, в решітці виникає величезна кількість нових дислокацій. Нові дислокації, виникнувши, включаються в роботу механізму пластичної деформації.
Генерування нових дислокацій в процесі пластичної деформації відбувається безперервно. З цієї причини кількість дислокацій на кордонах зерен, зростаючи, досягає критичної величини. Внаслідок цього на якійсь стадії розвитку пластичної деформації в місцях скупчення дислокацій на кордонах зерен виникають зародки тріщин. Зародки, які раніше за інших досягають критичних розмірів, перетворюються в швидко поширюються тріщини, що і призводить метал до руйнування.
Знання дислокационной природи і особливостей механізму пластичної деформації металу дозволяє усвідомити важливе питання про причин ?? е більш високої міцності дрібнозернистого металу в порівнянні з грубозернистим. Межі сос ?? едніх зерен перешкоджають витягуванню зерен в процесі деформацій і вихід на їх межі дислокацій. Чим дрібніше зерна, тим більше сумарна площа їх кордонів і тим більше опір пластичної деформації. Розміром зерна металу можна цілий ?? енаправленно управляти шляхом зміни умов кристалізації або застосуванням термічної обробки.
З викладеного вище випливає, що від дислокаційної структури істотно залежать властивості міцності металу і, що цими властивостями можна управляти, цілий ?? енаправленно змінюючи дислокаційну структуру за рахунок вибору хімічного складу сплаву, режимів його термічної обробки або обробки будь-якими іншими спеціальними методами.
Розтягування бездефектного металу відбувається в режимі пружною деформації. При цьому досягається теоретична міцність # 963; теор.
Найбільш інтенсивно знижується міцність при наявності в металі концентраторів напружень. У цьому випадку метал руйнується під час пружної деформації задовго до початку пластичної деформації.
Концентраторами напружень є наявні в металі тріщини, несплошності і вс ?? евозможние включення з гострими краями, а також різкі переходи в деталі від одного перерізу до другого.
Концентратори напружень в місцях їх розташування збільшують розрахункові напруги в десятки і навіть сотні разів.
При поганому металургійному якості, що рівноцінно зменшенню фактичного робочого перетину деталі, дійсне напруга в її перетині також буде вищою розрахункового. Внаслідок цього метал руйнується при більш низькому рівні міцності.
Металургійними дефектами є різні розсіяні в металі неметалеві включення, наприклад FeS, SiO2. Al2 O3 і т. Д. А також раковини, пори та інші порушення цілісності. Грубозерниста також є металургійним дефектом.
При відсутності концентраторів напружень та задовільному металургійному якості сплаву його міцність повинна визначатися напругою, після досягнення якого закінчується чисто пружна деформація і починається пружнопластичних. Але в базі пластичної деформації лежить робота дислокационного механізму. При цьому міцність виявиться тим вище, чим більше щільність дислокацій.