§ 254. Пластические свойства

Скольжение.

Упругая деформация кристалла заключается в изменении межатомных расстояний при сохранении каждым атомом своих соседей. Напротив, пластическая деформация, не исчезающая после снятия внешнего воздействия, протекает путем таких процессов, при которых атомы, преодолевая потенциальный барьер, переходят в другие «потенциальные ямы», т. е. меняют своих соседей. Основным механизмом пластической деформации является скольжение одной атомной плоскости по другой. Элементом такого скольжения является перемещение всех атомов на один период. Такое скольжение обнаруживается невооруженным глазом в виде так называемых полос скольжения. Скольжение происходит по наиболее слабым местам (там, где были трещины или иные дефекты) и кристалл разбивается на слои, называемые пачками скольжения. Толщины пачек случайны, по порядку величины они близки к десятым долям микрона. Сдвиг атомных плоскостей с разными индексами требует различной силы. Обычно легче всего сдвиг происходит по плоскостям, наиболее плотно заполненным атомами. Однако индексы плоскостей скольжения могут измениться от температуры, примесей, а также и в процессе самой деформации. У алюминия плоскостью скольжения является плоскость (111).

Скольжение происходит в данной плоскости и в данном направлении. Обычно это направление наиболее густо усажено атомами (например, [101] во всесторонне центрированной кубической решетке).

Начало сдвига требует некоторого минимального напряжения; его называют критическим скалывающим напряжением. Это очень

маленькая величина, доходящая в ряде случаев до нескольких граммов на квадратный миллиметр. Разумеется, измеряя критическое напряжение, надо учесть, как ориентирована плоскость скольжения по отношению к внешней силе.

Упрочнение.

Монокристалл цинка можно без труда согнуть пальцами. Однако разогнуть его обратно таким же способом не удастся. Произошло упрочнение.

По мере деформации сопротивление сдвигу растет. Поэтому пластические сдвиги в данной полосе скольжения не заканчиваются разрывом материала, а, напротив, прекращаются, когда упрочнение достаточно, чтобы противостоять внешней силе, и перекидываются на другие плоскости. Таким образом, число полос скольжения растет и, естественно, толщина пачек скольжения падает.

Рис. 285.

Если кристалл, подвергавшийся пластическому деформированию, подвергнуть заново воздействию, то пластическая деформация начнется, конечно, с того значения силы, на котором она прекратилась из-за упрочнения в первом опыте. Можно сказать поэтому, что упрочнение повышает предел упругости, и притом во много раз.

В чем причина упрочнения? Одна из точек зрения связывает упрочнение с нарушением правильности (искажением) кристаллической решетки. С этой точки зрения вполне естественно, что упрочнение растет с увеличением скорости деформации и падает с ростом температуры.

Иначе рисуется картина с точки зрения теории дислокаций, о которой мы говорили выше.

Пластическая деформация как перемещение дислокаций

Рассмотрим детальнее процесс сдвига одной атомной плоскости по другой. Если в полосе скольжения дислокаций нет, то придется перекатить друг через друга все ряды атомов, расположенные в плоскости сдвига. Совершенно иначе обстоит дело при действии силы сдвига на кристалл с дислокациями.

На рис. 285 показана плотная упаковка шаров (показаны только крайние шары атомных рядов), содержащая простую дислокацию. Для простоты положим, что область дислокации захватывает минимальное число рядов. Тогда можно сказать, что наличие дислокации

сводится к тому, что между двумя рядами верхней (растянутой) плоскости, примыкающей к границе раздела блоков, имеется линейная пустота. Что же касается нижней (сжатой) плоскости, примыкающей к границе раздела блоков с другой стороны, то в ней имеется лишний ряд атомов. Внедрение этого лишнего ряда приводит к тому, что два ряда атомов, находящихся как раз над линейной пустотой, чрезмерно сжаты. Начнем теперь сдвигать вправо верхний блок по отношению к нижнему. В какой-то исходный момент «трещина» была между рядами 2 и 3; сжатыми были ряды 2 и 3. Как только подействует сила, ряд 2 сдвинется в «трещину», шар 3 восстановит форму, а сожмется. Вся дислокация передвинулась влево, и ее движение будет таким же образом продолжаться до тех пор, пока дислокация не «выйдет» из кристалла. Иными словами, сдвиг состоит в перемещении линии дислокации вдоль плоскости сдвига. Не приходится доказывать, что для такого сдвига требуются много меньшие силы.

Произведенные расчеты показали, что прочность кристалла в предположении сдвига без наличий дислокаций в сто раз больше значения прочности, наблюдаемой на опыте. Наличие незначительного числа дислокаций способно уменьшить прочность в значительное число раз.

Как это ясно из рисунка, приложенная сила «выгоняет» дислокацию из кристалла. Значит, по мере увеличения степени деформации кристалл должен становиться все прочнее, и, наконец, когда последняя из дислокаций будет удалена, кристалл должен стать примерно в сто раз прочнее, чем идеально правильный кристалл. Таким способом непринужденно объясняется упрочнение. Правда, для получения количественного согласия теории с опытом приходится допустить, что сдвиг кристалла может происходить с помощью не только простых, но и спиральных дислокаций.

Хорошим подтверждением теории является возможность выращивания в идеальных условиях бездефектных кристаллов с прочностью, близкой к теоретической для идеального кристалла.