§ 127. Механизм пластической деформации

Упругая деформация сводится к тому, что при приложении внешних сил происходит небольшое смещение атомов из их нормальных равновесных положений, благодаря которому вновь восстанавливается равновесие в кристалле, на этот раз между силами притяжения и отталкивания атомов, с одной стороны, и внешними силами, с другой.

Что касается пластической деформации, то ее природа и механизм еще не вполне изучены, несмотря на то, что такие явления, как упрочнение пластически деформированных тел, термообработка и др., не только давно известны, но и используются уже в течение тысячелетий.

Рис. 174.

Можно, однако, считать установленным, что, в отличие от упругой деформации, при которой атомы лишь немного смещаются из их положений равновесия, при пластической деформации происходит скольжение одних слоев кристалла относительно других (рис. 174).

Эти скольжения по атомным плоскостям «повинны» не только в деформации сдвига, но и вообще во всех видах деформации, не исключая и деформации растяжения. На это указывают так называемые полосы скольжения, наблюдаемые в микроскоп на поверхности пластически деформированных монокристаллов, представляющие собой линии, пересечения плоскостей скольжения с поверхностью кристалла.

Во многих случаях можно наблюдать изменение формы поперечного сечения растянутых стержней, шероховатость их поверхности, т. е. то, что следует ожидать, если при растяжении

происходит соскальзывание слоев кристалла друг относительно друга. Скольжения слоев происходят преимущественно по плоскостям спайности, наиболее «населенным» атомами.

Таким образом, пластическая деформация связана со скольжениями, т. е. со сдвигом плоскостей кристалла. Для этого нужно, очевидно, чтобы действовали касательные по отношению к этим плоскостям силы. Такие силы при приложении внешней деформирующей нагрузки всегда существуют. В самом деле, как бы ни была направлена внешняя сила, в кристалле всегда найдутся такие плоскости скольжения, вдоль которых будет действовать некоторая составляющая этой внешней силы, так что возможность сдвига существует даже при растягивающем деформировании.

Пластическое течение начинается, как мы знаем, лишь с определенного значения напряжения (предел текучести). Значит и скольжения по кристаллическим плоскостям начинаются с вполне определенного критического значения напряжения, касательного к этим плоскостям. Конечно, это критическое значение напряжения (скалывающего напряжения, как его обычно называют) не обязательно равно пределу упругости, так как вдоль плоскостей ведь действует только некоторая составляющая внешнего напряжения. Сначала скольжение идет по той из кристаллических плоскостей, вдоль которой действует самая большая составляющая приложенной силы. По другим плоскостям скольжение начинается, когда и на них напряжение станет критическим.

Таков в общих чертах механизм пластической деформации. Поскольку пластическое течение сводится в конце концов к сдвигу атомных слоев, можно приближенно оценить, при каких напряжениях должно наступить скольжение в кристалле, а значит и пластическая деформация, т. е. каков должен быть предел упругости кристалла.

Для этого рассмотрим схему процесса скольжения в идеальном кристалле, представленную на рис. 175. На рис. 175, а представлен идеальный, еще не деформированный сдвигом кристалл. Следует себе представить, что в точках пересечения линий расположены атомы, а кристалл распространяется и в направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа. Стрелками показаны направления скалывающих напряжений. Пунктирная линия обозначает плоскость скольжения. До начала скольжения (см. рис. 175, а) кристалл находится в равновесии. Когда под действием напряжений одна половина кристалла сместится относительно другой на расстояние, равное постоянной решетки (см. рис. 175, в), он снова будет находиться в равновесии, так как взаимное расположение атомов будет таким же, как в начале. И в том, и в другом положении напряжение сдвига равно нулю.

Но оно равно нулю и в том случае, когда смещающиеся атомы находятся в промежуточном положении, при симметричном

положении атомов относительно их соседей. Отсюда следует, что сила (напряжение ) сдвига есть периодическая функция (см. рис. 175,б) с периодом, равным постоянной рещетки а. Приняв в качестве периодической функции простейшую из них — синусоиду, можно в самом грубом приближении считать, что

Если то прекращении действия такого напряжения атом вернется в начальное положение и, следовательно, соскальзывание не произойдет. Произойдет оно лишь при

Рис. 175.

Значит, риакс есть критическое скалывающее напряжение, необходимое для скольжения. Оно должно быть близко по величине к пределу упругости.

Для малых можно считать, что Поэтому

Но где у — угол сдвига (см. рис. 175, б). Значит

С другой стороны, мы знаем, что при деформации сдвига отношение т. е. отношение напряженияк углу сдвига, равно модулю сдвига Следовательно,

Модуль же сдвига численно равен, как мы знаем, напряжению, вызывающему сдвиг на угол в 1 радиан. Это значит, что пока напряжение меньше, чем скольжение не должно происходить, не должно, значит, быть и пластической деформации (ведь формула выражает собой закон Гука).

Отсюда следует, что при напряжении, равном угол сдвига будет равен около рад, т. е. около 9,5°. Если этот угол будет меньше, например 9°, то пластическая деформация не произойдет. Так как пластическая деформация соответствует рис. 175, в (соскальзывание произошло), когда угол то это значит, что возможна деформация приблизительно на 15° без того, чтобы возникла текучесть.

Опыт, однако, показывает, что у всех монокристаллов пластическое течение начинается при деформациях, в сотни и тысячи раз меньших только что вычисленной. Даже для значительно более прочных, чем монокристаллы, поликристаллических тел пластическое течение начинается при углах сдвига не в несколько градусов, а уже при сдвиге на десятые доли градуса.

Таким образом, теоретически вычисленная прочность кристаллов по отношению к пластической деформации оказывается во много раз больше, чем фактически наблюдаемая на опыте. Выяснение причин этого расхождения теории с опытом является одной из главных проблем в физике пластической деформации.

В следующем параграфе мы познакомимся с теорией, пытающейся объяснить это расхождение, равно как и другие явления, связанные с пластической деформацией.