Основные положения теории дислокаций

По плоскости скольжения

Экспериментальное определение сопротивления сдвигу

Рассмотрим экспериментальное определение сопротивления сдвигу атомов на плоскости скольжения (рис. 3.5). Установим зависимость касательного напряжения в плоскости скольжения, при котором начинается пластическая деформация, от ориентировки кристалла относительно приложенного усилия. Имеется несколько монокристаллов, у которых углы α между плоскостями плотной упаковки атомов (то есть плоскостями скольжения) и направлением

Рис. 3.5. Растяжение образца из монокристалла с известным направлением плоскости скольжения

силы P различны. Плоскости скольжения – это плоскости, в которых расстояние между атомами минимально. Касательное напряжение

,

где F – площадь плоскости скольжения;

,

- площадь поперечного сечения образца; α – угол между плоскостью скольжения и Р;

;;

- нормальное напряжение, направленное вдоль оси образца. Нормальное напряжение при одноосном растяжении – сжатии, при котором начинается пластическая деформация – сопротивление деформации. Таким образом,

.

Зависимость и от угла показана на рис. 3.6. В зависимости от угла α получили различные значения силы P, при которых начинается пластический сдвиг. Меняется и на площадке. Критическое значение касательного напряжения в монокристалле данного металла является величиной постоянной (при заданных температуре, скорости деформации и степени деформации) и не зависит от ориентировки кристалла относительно действующей

Рис. 3.6. Зависимость и от угла для монокристалла из цинка

силы. При наличии нескольких плоскостей скольжения в поликристалле сдвиг начинается в плоскости, расположенной под углом 45˚ к действующей силе.

Была выполнена теоретическая оценка сопротивления сдвигу атомов. Исходили из простейшей модели двух атомов, смещаемых под действием напряжения сдвига по плоскости скольжения (вдоль оси x), представленной на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Смещение атомов по плоскости скольжения под действием

сдвигающих напряжений

Установлено, что касательное напряжение, при котором происходит сдвиг,. Здесь G – модуль сдвига, b и d – размеры атомов. В теоретической модели принималось, что сдвиг атомов по всей плоскости скольжения происходит одновременно.

По теории получено, что, то есть в тысячу раз больше, чем показывают экспериментальные данные. Объяснение различия между теорией и экспериментом заключается в том, что на плоскости скольжения имеются микродефекты, понижающие [5].

При деформации кристаллов в плоскостях скольжения одновременно сдвигается небольшая часть атомов в области микродефекта или так называемого несовершенства решетки. Это могут быть, например, примеси. Особый вид несовершенств представляют дислокации [4].

Дислокация представляет собой несовершенство решетки, когда число атомных плоскостей, расположенных выше и ниже плоскости скольжения, неодинаково. Условно дислокации изображены на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Дислокации (А-А – плоскость скольжения)

Под действием сдвигающих напряжений дислокация может перемещаться вдоль плоскости скольжения. Для перемещения дисклокации на одно межатомное расстояние необходима очень небольшая перестройка атомов. Перемещаясь, дислокация вызывает смещение всех атомов вдоль плоскости скольжения. При выходе дислокации на поверхность кристалла образуется ступенька. На рисунке 3.9 представлено перемещение дислокации в кристалле.

Пластическую деформацию скольжением можно описать как движение дислокаций вдоль плоскости скольжения под влиянием напряжений сдвига. Для данного металла скорость перемещения дислокаций, где

- касательное напряжение; - температура.

Рис. 3.9. Перемещение дислокации: А – направление сдвиговой нагрузки;

ММ – плоскость скольжения

Причины образования дислокаций могут быть не связаны с пластической деформацией. Другие причины связаны с пластической деформацией. В недеформированном кристалле дислокации образуются на границе зерен.

Дислокации образуются (генерируются) и в процессе пластической деформации. Например, концы дислокации могут быть закреплены вследствие инородных включений. Под действием касательного напряжения дислокация выгибается, а затем распадается на два участка. В процессе деформации число дислокаций увеличивается.

Усилие, необходимое для деформации кристалла зависит от:

1) наличия дислокаций;

2) возможности их перемещения.

Идеальный кристалл, не имеющий дефектов строения в виде дислокаций, требует очень больших усилий для деформации. В настоящее время выращивают монокристаллы с ничтожным количеством дислокаций. Их прочность близка к теоретической. Это нити длиной до нескольких десятков мм и диаметром до десятков микрон. Наличие дислокаций снижает, но сопротивление деформации увеличивается при наличии препятствий перемещению дислокаций. Это – включения, искажения решетки. Дислокация в зависимости от размеров переползает через них или проходит между ними.

Дислокации при выходе на свободную поверхность монокристалла образуют ступеньку. При подходе дислокации к границе зерен поликристалла ступенька образовываться не может. Дислокация застревает вблизи поверхности. Скопление дислокаций затрудняет зарождение новых дислокаций. Для продолжения деформации необходимо увеличение усилия. В процессе деформации зерна дробятся. Увеличивается протяженность их границ и тем самым увеличивается число мест скопления дислокаций.

Так теория дислокаций объясняет наклеп (упрочнение) при холодной деформации [5].

Таким образом, дислокации и другие эффекты оказывают двойственное влияние на прочность. С одной стороны, увеличение числа дислокаций способствует образованию других дислокаций в процессе деформации, а значит снижению сопротивления деформации. Но, с другой стороны, дефекты затрудняют движение дислокаций, что упрочняет металл. В частности, при легировании образование твердых растворов внедрения и замещения упруго искажает решетку и затрудняет движение дислокаций. Зависимость прочности металла от количества дислокаций приведена на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Зависимость прочности металла от количества дислокаций

Дата добавления: 2014-01-05