Пластическая деформация металлов

Важнейшим и наиболее характерным свойством металлов является пластичность ‑ способность претерпевать деформацию (изменять форму и размеры) без разрушения. В сочетании с высокой прочностью это свойство делает металлы незаменимыми для современной техники. Деформация, которая исчезает после снятия нагрузки, ‑ это упругая деформация. Часть деформации, которая остается после снятия нагрузки, ‑ это пластическая деформация. Чем больше остаточная деформация металла до разрушения, тем выше его пластичность.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами, и в кристаллической решетке возникают дополнительные силы притяжения или отталкивания. Снятие нагрузки устраняет причину изменения межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места под действием дополнительных сил, существующих между ними, и упругая деформация исчезает.

Значительно более сложно проходит процесс пластической деформации, которая осуществляется при напряжениях, больших предела упругости металла.

 

В конечном итоге пластическая деформация представляет собой сдвиг одной части кристалла относительно другой. Каков же механизм этого процесса? Естественно предположить одновременное смещение всех атомов одного слоя по отношению к атомам соседнего слоя по плоскости сдвига ММ (рис. 1) – так скользят бумажные листы в пачке бумаги при сдвиге ее верхней части. Усилие, которое надо приложить для осуществления такого сдвига, можно подсчитать и таким образом определить теоретическую прочность. Такой расчет был сделан Я.И. Френкелем, и получилось, что для железа прочность должна быть равна 1300 кгс/мм², тогда как в действительности предел прочности железа 15 кгс/мм², т. е. в 100 раз меньше.

Объяснение реального механизма сдвиговых процессов дает теория дислокаций – особого рода линейных несовершенств (дефектов) кристаллической решетки. Представления о дислокациях были введены в металлофизику для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью кристаллов и описать механизм скольжения атомных слоёв при пластической деформации кристаллов. Если на первых этапах развития этой теории представления о дислокациях были предположительными, то затем были получены прямые доказательства их существования, а в настоящее время имеются многочисленные данные наблюдения дислокаций.

Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле – сдвиг (рис. 2, а). Если сдвиг произошел только в части плоскости скольжения и охватывает площадку ABCD, то граница AB между участком, где скольжение уже произошло, и ненарушенным участком в плоскости скольжения и будет дислокацией. Атомная плоскость, перпендикулярная к плоскости скольжения и проходящая через AB, является как бы лишней и ее называют экстраплоскостью, а дислокацию AB – краевой дислокацией,обозначаемой знаком ^.

Возможны и другие виды дислокаций, например, винтовая (рис. 3, а) или смешанная ( рис. 4, а).Винтовая дислокация получила свое название из-за того, что кристалл при этом можно считать состоящим из одной атомной плоскости, закрученной по винтовой поверхности вокруг дислокации AB (рис. 3, а).

Нетрудно увидеть, что движение дислокаций через кристалл вызывает пластическую (необратимую) деформацию кристалла (рис. 2-4 б, в, г). Перемещение дислокаций происходит по схеме, изображенной на рис. 5.

Из схемы видно, что для перемещения дислокации на одно межатомное расстояние каждый атом экстраплоскости и плоскости в нижней части кристалла смещается на величину значительно меньше межатомного расстояния. При поочередном (эстафетном) смещении атомов дислокация скользит на большие расстояния, через весь кристалл, вызывая его пластическую деформацию.

При сдвигеодной части идеального кристалла относительно другой необходимо разорвать одновременно сразу все межатомные связи между граничными атомами по обе стороны от плоскости скольжения (рис. 1), а в реальном металле при перемещении дислокации по плоскости скольжения разрываются одновременно межатомные связи только между двумя соседними цепочками атомов (рис. 5). Именно этим объясняется более низкие значение сдвигающего напряжения и прочности у реальных металлов.

	e = 0 %		e = 30 %		e = 60 %

	Свойства: sв, d
		sв
		d

Рис. 6. Изменение структуры и свойств деформированного металла

в зависимости от степени деформации

 

 

Интересно, что и в живой природе используется дислокационный принцип движения, например, змеи и гусеницы обычно ползают за счет образования складки («положительной дислокации») около хвоста и продвижения этой складки в сторону головы.