Физические основы пластической деформации (1072018), страница 7
Текст из файла (страница 7)
42Плоскость скольжения - это наиболее плотно упакованная атомами плоскость кристаллической решетки. Направление скольжения - это направление, в котором расстояния между атомами минимальны. Например, в гранецентрированной решетке плоскостью скольжения является семейство 111, а направлением скольжения - направления семейства 110.Плоскость и направление скольжения, лежащее в этой плоскости, образуют систему скольжения. Всего в гранецентрированной ячейке 4 плоскости скольжения 111 и 3 направления скольжения 110 в каждой, т.
е. всего 12систем скольжения (см. рис. 42).В объемноцентрированной решетке плоскостями скольжения являются плоскости семейства {110}, а направлениями скольжения - направления семейства 100. Всего в объемноцентрированной кубической решетке 6 плоскостейскольжения и 1 направление скольжения в каждой, т.е. 6 систем скольжения.В гексагональной плотноупакованной решетке плоскостями скольжения являются плоскости семейства {0001}, анаправлениями скольжения – направления семейства 2110, всего – 3 системы скольжения ( см. рис.43).6.2. Внутрикристаллитнаямежкристаллитная деформациииПоскольку процесс кристаллизациипри затвердевании жидкого металла идетодновременно из большого числа центровкристаллизации, технический металлпредставляет собой конгломерат зерен(кристаллитов).
Неправильность внешнейформы зерен металла, а также различие внаправлениях кристаллографических осейв смежных зернах приводит к тому, что пограничный слой между зернами имеет нарушения правильности взаимногорасположения атомов и обычно насыщен дислокациями, примесями и неметаллическими включениями. Это являетсяследствием 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.28Ранее было показано, что касательные напряжения, возникающие в металле под действием внешней силы, зависят от величины этой силы и фактора Шмида:Pcos cos λ σ m ,Fгде: = P / F -нормальное напряжение в площадке, перпендикулярной действующей силе, m = cos cos - факторШмида, cos и cos- направляющие косинусы рассматриваемой площадки (см. рис. 19).Поскольку максимальное значение фактора Шмида m = 0,5 получается при углах = = 450, максимальное касательное напряжение возникает в площадках c этими значениями углов и численно равно mаx = 0,5.До определенного значения внешней силы касательные напряжения не превосходят величины, достаточной дляпластической деформации, и металл деформируется упруго, после снятия нагрузки форма и размеры тела полностьювосстанавливаются.Если под действием внешней силы возникает пластическое течение металла, это значит, что величина достигласвоего 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 текучестимонокристалла определяется фактором Шмида.Возвращаясь к деформации поликристалла (см. рис. 44) становится очевидным, что в первую очередь деформация начнется в зернах А, где плоскости скольжения 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.Р45 0Аплоскости скольженияРис.44В этих плоскостях возникнут дислокации, начнут действовать источники Франка-Рида, в результате чего начнетсясдвиговая деформация. По мере возрастания нагрузки касательные напряжения достигнут критического значения и вдругих зернах, и в них также возникнут дислокации, т. е. в деформацию будет вовлекаться все большее и большее число зерен, пока деформацией не будет охвачен весь объем поликристалла.Нормальное напряжение т, соответствующее включению в пластическую деформацию преобладающего большинства зерен металла, является пределом текучести.Каждая дислокация на своем пути сталкивается со множеством других, двигающихся под разными углами к ееплоскости скольжения, пересекающими ее и затрудняющими ее передвижение.
Она как бы продирается через лес других дислокаций, и металлофизики так и говорят «дислокационный лес». Чем дальше в лес, тем он гуще и тем труднеечерез него пробираться. В конце концов, дальнейший выход дислокаций на свободную поверхность тела прекращается, способность металла к пластической деформации исчерпывается и происходит его разрушение. Так проявляетсядвойственная роль дислокаций под действием возрастающей внешней нагрузки. Вначале они помогают металлу изменять форму и тем самым сохранять свою целостность в борьбе с внешней силой, но при этом сами затрудняют себедвижение и приближают момент разрушения металла.Межкристаллитная деформация выражается в относительном смещении зерен 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 слоиотличаются от внутренних слоев зерен физико-механическими свойствами. Атомы в этих слоях не находятся в положениях, соответствующих минимуму потенциальной энергии. Отсюда следует, что их подвижность может быть боль-29ше, чем во внутренних слоях зерен, а их относительное перемещение (происходящее не по каким-то определеннымплоскостям) 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 в общем формоизменении тела.
Представление о механизме межкристаллитной деформации 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 комплексу свойств существенно отличаются от обычныхматериалов такого же химического состава [ 2 ]. Это связано с сильным влиянием поверхностного (граничного) слоя.В нанокристаллических материалах доля граничного слоя быстро возрастает при измельчении зерен от 100 до 4-5 нм.Считая, что зерна имеют сферическую форму, и полагая толщину слоя 1 нм (это соответствует 2-3 атомным слоям длябольшинства металлов), получим следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностногослоя:Диаметр зерна, нм10050 2520 1064Объемная доляповерхностного слоя, % 61224 3060 100 150Таким образом, в нанокристаллических материалах, начиная с диаметра зерен 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 2-3раза, а временное сопротивление в 1,5-8 раз выше, чем у соответствующих аналогов. Нанокристаллические материалы имеют высокие демпфирующие свойства, т. к. из-за различия модулей упругости самих зерен и граничныхслоев упругие колебания распространяются неоднородно и существенно рассеиваются.
При 20-25 0С в нанокристаллических материалах с заметной скоростью развиваются процессы рекристаллизации ( о рекристаллизации см.раздел 7.1).Теплоемкость нанокристаллических сплавов при низких температурах в 1,2-2 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 слоя по сравнению с зернами. У нанакристаллической меди при размерах зерен 8 нм коэффициент теплового расширения вдвое превышает его значение уполикристаллической меди.Удельное электросопротивление у нанокристаллических материалов выше, чем у соответствующих аналогов, т.к. электроны проводимости сильнее рассеиваются на границах зерен. Так, например, у нанокристаллических меди,никеля и железа с размерами зерен 100-200 нм удельное электросопротивление при 20 0С возрастает соответственнона 15, 35 и 55%.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
