Монокристалла и поликристалла

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Пластическая деформация монокристалла может происходить путем скольжения (сдвига) и двойникования. Эти схемы деформации представлены на рис. 2.

Скольжение представляет собой смещение (трансляцию) одной части кристалла относительно другой по некоторым плоскостям. Обычно скольжение происходит одновременно по нескольким параллельным плоскостям, причем число этих плоскостей возрастает с увеличением деформирующего усилия. В результате такой деформации появляются многочисленные полосы скольжения (в виде тончайших слоёв), хорошо видимые под микроскопом или даже визуально на полированной поверхности деформируемых образцов.

а б

Рис. 2. Схемы деформации монокристалла:

а – смещение кристалла по плоскостям; б – схема двойникования

Скольжение в монокристалле происходит не только по определенным кристаллографическим плоскостям, носящим название плоскостей скольжения, но и по определенным кристаллографическим направлениям. Плоскостями скольжения являются плоскости с наиболее густо размещёнными атомами, а направлениями скольжения – направлениями, по которым межатомное расстояние имеет минимальное значение.

Количество кристаллографических плоскостей и направлений в значительной мере определяет пластичность металлов. Чем больше в монокристалле плоскостей скольжения, тем пластичнее металл.

Двойникование – смещение одной части кристалла по отношению к другой, с последующим поворотом частей кристалла. В результате поворота получается зеркальное отображение одной части кристалла по отношению к другой. Двойникование чаще наблюдается в случае деформации при пониженных температурах, а также при динамическом деформировании. Однако пластическая деформация металлов в основном протекает за счёт скольжения. Механизм пластической деформации поликристалла значительно сложнее, чем монокристалла. Это объясняется тем, что в поликристалле зёрна отличаются между собой по форме и размерам, обладают неодинаковыми физико-механическими свойствами, различно ориентированы по отношению к деформирующей нагрузке и т.п.

Особую роль в поликристалле играют границы зёрен, по которым в процессе кристаллизации образуются так называемые межкристаллитные прослойки, толщина которых не превышает 1–2 мкм. Границы зёрен отличаются как по составу, так и по структуре, и, как правило, обогащены примесями. На границах зёрен скопляются дефекты кристаллической решётки, в которых атомы обладают более высокой потенциальной энергией. В результате подвижность атомов по границам зёрен может быть больше, чем во внутренних слоях зёрен, и их относительное перемещение может происходить при сравнительно меньших касательных напряжениях.

Однако деформация пограничных слоёв зёрен все же затрудняется из-за наличия в них нерастворимых примесей и неправильной формы поверхности самих зёрен. В связи с этим различают два вида деформации поликристалла: внутрикристаллитную (по зерну) и межкристаллитную (по границам зёрен). Первая так же, как и в отдельном монокристалле, протекает путем скольжения и двойникования, вторая – путём поворота и перемещения одних зёрен относительно других.

Оба вида деформации протекают в поликристаллах одновременно. Преобладание того или иного вида деформации определяется соотношением прочности отдельных зёрен и их границ при данных условиях деформирования. На прочность зёрен и их границ оказывает влияние химический состав, размер зёрен, температура и скорость деформации. При нормальной температуре прочность границ зёрен, как правило, больше прочности зёрен. Поэтому при холодной обработке давлением внутрикристаллитная деформация является основным процессом, обусловливающим изменение формы поликристалла. При высоких температурах прочность зёрен больше прочности их границ из-за наличия на границах более легкоплавких примесей и меньшей термодинамической устойчивости пограничных зон самого металла, вследствие чего при горячей обработке давлением преобладает межкристаллитная деформация.

Поскольку в поликристалле зёрна имеют различную ориентировку плоскостей скольжения, пластическая деформация при действии внешних сил начинается не во всех зёрнах одновременно. Вначале деформируются наиболее благоприятно ориентированные зёрна, т.е. те зёрна, плоскости скольжения в которых составляют с направлением усилия 45˚, как показано на рис. 3. Остальные зёрна могут поворачиваться в результате возникновения пар сил, и, когда их плоскости скольжения составят с направлением усилия угол 45˚, они также подвергнутся деформации.

Рис. 3. Схема зерна поликристалла

В результате пластической деформации поликристалла происходит изменение формы зёрен: они вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. Чем больше степень деформации, тем больше изменяется форма зерна. Вытянутые зёрна в поликристалле образуют волокнистую (полосчатую) микроструктуру. Так как одновременно с изменением формы зёрен в процессе деформации происходит и поворот плоскостей скольжения в отдельных зёрнах, то при значительных степенях деформации плоскости скольжения зёрен поликристалла стремятся совместиться с направлением течения металла.

Такая ориентировка плоскостей скольжения зёрен называется текстурой и вызывает в поликристалле анизотропию свойств.

Дата добавления: 2014-01-20