Методичка (МУ - Физические основы пластической деформации), страница 7

рис.43).396.2. Внутрикристаллитная и межкристаллитная деформацииПоскольку процесс кристаллизации при затвердевании жидкого металлаидет одновременно из большого числа центров кристаллизации, техническийметалл представляет собой конгломерат зерен (кристаллитов). Неправильностьвнешней формы зерен металла, а также различие в направлениях кристаллографических осей в смежных зернах приводит к тому, что пограничный слоймежду зернами имеет нарушения правильности взаимного расположения атомов и обычно насыщен дислокациями, примесями и неметаллическими включениями. Это является следствием того, что в первую очередь кристаллизуются частицы основного металла.Общее остаточное формоизменение поликристаллического тела складывается из пластической деформации составляющих его зерен и их относительного смещения.

В соответствии с этим различают внутрикристаллитную и межкристаллитную деформации поликристалла.Ранее было показано, что касательные напряжения, возникающие в металле под действием внешней силы, зависят от величины этой силы и фактораШмида: Pcoscos λ  ζ m ,Fгде:  = P / F -нормальное напряжение в площадке, перпендикулярной действующей силе, m = cos  cos  - фактор Шмида, cos  и cos- направляющиекосинусы рассматриваемой площадки (см. рис. 19).Поскольку максимальное значение фактора Шмида m = 0,5 получается приуглах  =  = 450, максимальное касательное напряжение возникает в площадках c этими значениями углов и численно равно mаx = 0,5.До определенного значения внешней силы касательные напряжения непревосходят величины, достаточной для пластической деформации, и металлдеформируется упруго, после снятия нагрузки форма и размеры тела полностью восстанавливаются.Если под действием внешней силы возникает пластическое течение металла, это значит, что величина  достигла своего критического значения кр, вызывающего сдвиг атомных плоскостей.Величина кр не зависит от ориентации плоскости и направления скольжения по отношению к приложенному напряжению и является величиной постоянной для данного металла.

Приняв за предельное значение  значение кр , т.е. напряжение, вызывающее течение металла (в этом случае  = т),имеем: т = кр / m, т.е. предел текучести монокристалла определяется фактором Шмида.Возвращаясь к деформации поликристалла (см. рис. 44) становится очевидным, что в первую очередь деформация начнется в зернах А, где плоскости40скольжения ориентированы относительно действующей силы под углом 450,т.к. именно в них касательные напряжения будут максимальными и раньше,чем в других зернах, достигнут своего критического значения кр.450РАплоскости скольженияРис.44В этих плоскостях возникнут дислокации, начнут действовать источникиФранка-Рида, в результате чего начнется сдвиговая деформация. По мере возрастания нагрузки касательные напряжения достигнут критического значенияи в других зернах, и в них также возникнут дислокации, т.

е. в деформациюбудет вовлекаться все большее и большее число зерен, пока деформацией небудет охвачен весь объем поликристалла.Нормальное напряжение т, соответствующее включению в пластическуюдеформацию преобладающего большинства зерен металла, является пределомтекучести.Каждая дислокация на своем пути сталкивается со множеством других, двигающихся под разными углами к ее плоскости скольжения, пересекающими ееи затрудняющими ее передвижение. Она как бы продирается через лес другихдислокаций, и металлофизики так и говорят «дислокационный лес». Чем дальше в лес, тем он гуще и тем труднее через него пробираться. В конце концов,дальнейший выход дислокаций на свободную поверхность тела прекращается,способность металла к пластической деформации исчерпывается и происходитего разрушение. Так проявляется двойственная роль дислокаций под действием возрастающей внешней нагрузки.

Вначале они помогают металлу изменятьформу и тем самым сохранять свою целостность в борьбе с внешней силой, нопри этом сами затрудняют себе движение и приближают момент разрушенияметалла.Межкристаллитная деформация выражается в относительном смещениизерен относительно друг друга. На границе зерен существует переходный слой,в котором нарушена закономерность расположения атомов. Кроме того, призатвердевании расплава по границам зерен скапливаются нерастворимые примеси.

Таким образом, пограничные слои отличаются от внутренних слоев зерен физико-механическими свойствами. Атомы в этих слоях не находятся вположениях, соответствующих минимуму потенциальной энергии. Отсюдаследует, что их подвижность может быть больше, чем во внутренних слоях41зерен, а их относительное перемещение (происходящее не по каким-то определенным плоскостям) может требовать относительно меньших касательных напряжений.С другой стороны, смещение атомов в пограничных слоях затрудняется наличием нерастворимых примесей и неправильной формой поверхности зерен,приводящей к их зацеплениям и заклиниваниям в процессе деформации. Межкристаллитная деформация может приводить к развитию микро и макротрещин. Однако, если возникающие повреждения границ зерен восстанавливаются (залечиваются) в процессе деформации, что имеет место при повышенныхтемпературах, то межкристаллитная деформация играет значительную роль вобщем формоизменении тела.

Представление о механизме межкристаллитнойдеформации основано на существовании зернограничной дислокации (ЗГД),которая может перемещаться вдоль границы смежных зерен, вызывая их относительное смещение.6.3.Нанокристаллические материалыКристаллы с размерами менее 10 нм ( 1 нм = 10 -9 м) по комплексусвойств существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава [ 2 ]. Это связано с сильным влиянием поверхностного (граничного) слоя.

В нанокристаллических материалах доля граничного слоя быстровозрастает при измельчении зерен от 100 до 4-5 нм. Считая, что зерна имеютсферическую форму, и полагая толщину слоя 1 нм (это соответствует 2-3атомным слоям для большинства металлов), получим следующие соотношениямежду диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:Диаметр зерна, нм10050 2520 1064Объемная доляповерхностного слоя, % 61224 3060 100 150Таким образом, в нанокристаллических материалах, начиная с диаметразерен 6 нм, объем граничного слоя становится больше объема кристаллов.Такое положение влечет за собой следующие свойства нанокристаллическихматериалов.Нанокристаллические материалы обладают повышенной прочностью:твердость в 2-7 раз, предел текучести в 2-3 раза, а временное сопротивлениев 1,5-8 раз выше, чем у соответствующих аналогов. Нанокристаллическиематериалы имеют высокие демпфирующие свойства, т.

к. из-за различия модулей упругости самих зерен и граничных слоев упругие колебания распространяются неоднородно и существенно рассеиваются. При 20-25 0С в нанокристаллических материалах с заметной скоростью развиваются процессырекристаллизации ( о рекристаллизации см. раздел 7.1).42Теплоемкость нанокристаллических сплавов при низких температурах в1,2-2 раза выше, чем у соответствующих аналогов из-за высокой теплоемкости граничного слоя.

Нанокристаллические сплавы сильно расширяются принагреве из-за более интенсивного (в 2-2,5 раза) расширения граничного слояпо сравнению с зернами. У нанакристаллической меди при размерах зерен 8нм коэффициент теплового расширения вдвое превышает его значение у поликристаллической меди.Удельное электросопротивление у нанокристаллических материаловвыше, чем у соответствующих аналогов, т. к. электроны проводимостисильнее рассеиваются на границах зерен. Так, например, у нанокристаллических меди, никеля и железа с размерами зерен 100-200 нм удельное электросопротивление при 20 0С возрастает соответственно на 15, 35 и 55%.Уменьшение диаметра зерна меди до 7 нм повышает удельное электросопротивление в несколько раз.Имеются и другие особые свойства нанокристаллических материалов.Нанокристаллические порошки металлов, карбидов, нитридов, оксидов идругих материалов получают физическими и химическими методами: испарением материалов в инертной или активной газовой среде; размолом с интенсивным подводом энергии в зону измельчения; синтезом порошка с использованием плазмы, лазерного нагрева, термического разложения веществэлектролизом.Частицы получаемых порошков являются неравновесными, в них запасена избыточная энергия по сравнению с обычным крупнозернистым материалом.

Значительная доля упругой энергии порошковых частиц обусловлена, во-первых, вкладом поверхностного слоя, во-вторых, под влиянием поверхностного слоя материал частиц испытывает сжатие, и кристаллическаярешетка оказывается упруго искаженной (в частности, при диаметре зернаменее 10 нм и поверхностном натяжении 2 н/м давление достигает 1 ГПа).Нанокристаллические порошки плохо прессуются. В формованном изделии остаточная пористость по объему достигает 10%, у металлических нанокристаллических материалов ее удается сократить до 3% (об.), в керамических материалах (у которых порошки прессуются еще хуже) остаточнаяпористость составляет 15% (об.).