Пластическая деформация монокристалла
Сначала рассмотрим деформацию одного монокристалла. Внутри отдельного монокристалла пластическая деформация происходит в основном путем скольжения одних слоев металла относительно других по определенным кристаллографическим плоскостям, называемым плоскостями скольжения. Обычно плоскостями скольжения являются плоскости с наиболее плотным размещением атомов, а направления скольжения совпадают с направлениями с минимальными межатомными расстояниями. В металлах с гранецентрированной решеткой скольжение протекает по плоскости октаэдра (111), а направление скольжения совпадает с диагональю граней (типа [101]. В металлах с объемноцентрированной решеткой скольжение осуществляется преимущественно по плоскостям нескольких типов, например, (110), (112) или (123), так как плотность атомов на этих плоскостях примерно одинакова; а преимущественное направление скольжения совпадает с большой диагональю куба [111]. В металлах с гексагональной решеткой скольжение проходит по плоскости основания призмы типа (0001) в направлении диагонали шестигранника типа [0011]. Отсюда понятно, что металлы с наиболее плотным расположением атомов в плоскости скольжения – металлы с гранецентрированной решеткой – имеют наибольшую пластичность, ниже пластичность у металлов с объемноцентрированной решеткой и еще ниже у металлов третьей группы.
Надо заметить, что это упрощенная картина. Помимо скольжения в зерне возможны также другие механизмы пластической деформации, например, двойникование, диффузия атомов и т.д. Поскольку скольжение является в большинстве случаев основным механизмом, то на других механизмах мы останавливаться не будем, они будут подробно рассматриваться в специальном курсе. Большое влияние на характер скольжения оказывают дополнительные факторы. Очень сильное влияние оказывает температура металла, при повышенных температурах появляются дополнительные плоскости скольжения. Например при температурах 150 – 2000 С и выше в гексагональных металлах открываются дополнительные плоскости скольжения типа () и () , и пластичность металла резко возрастает, что используется на практике для устранения трещин при деформации таких металлов, как цинк.
Скольжение в монокристалле происходит под действием напряжений, возникающих в плоскости скольжения. Исследования показали, что напряжения в плоскости скольжения (касательные напряжения), при которых начинается пластическая деформация скольжения, для данного монокристалла при постоянной температуре и скорости деформации постоянны. Это фундаментальное свойство металлов. Оно означает, что при растяжении, сжатии, прокатке и других видах нагружения металла, сдвиг по плоскости скольжения будет происходить всегда при одних и тех же касательных напряжениях. Предел текучести металла не зависит от схемы напряженного состояния. Это положение лежит в основе классической теории пластичности. Конечно, для поликристаллических материалов оно в принципе не верно, поскольку для поликристалла, помимо скольжения внутри зерен, большое влияние на характер пластической деформации оказывает межзеренное скольжение. Сами зерна в поликристалле имеют разные направления кристаллографических плоскостей, и деформация начинается раньше только в благоприятно расположенных зернах. Ниже мы более подробно оценим деформацию поликристалла. В классической теории пластичности независимость предела текучести от характера нагружения металла принимается как постулат и не рассматривается строение металла вообще. Предполагается, что деформируемый металл представляет собой некоторую однородную сплошную среду, не имеющую кристаллического строения, способную в любом направлении при соответствующих касательных напряжениях проявлять скольжение. Для многих чистых поликристаллических металлов этот постулат достаточно хорошо подтверждается.
Рис. 5. Зависимость пластичности металла от схемы напряженного состояния
Если основная прочностная характеристика металла – предел текучести – считается независящей от схемы напряженного состояния, то пластичность металла сильно зависит от нее. Если по горизонтальной оси отложить схему действующих напряжений на элементарный кубик деформируемого металла, а по вертикальной оси – некоторую характеристику пластичности, например, степень деформации до появления первой видимой трещины в металле, то получим зависимость типа представленной на рис. 5. При трехстороннем сжатии металла появление трещин в нем мало вероятно, пластичность наивысшая. При возрастании доли растягивающих напряжений пластичность снижается, и при равномерном трехстороннем растяжении пластичность всех металлов близка к нулю, то есть металл разрушается хрупко при самой незначительной пластической деформации. Это положение очень важно при выборе технологического процесса для получения готовой продукции без дефектов, особенно для металлов с пониженной природной пластичностью.
К примеру, многие металлы при прокатке могут “трещать” по кромкам, так как здесь возникают растягиваюшщие напряжения. При прессовании таких же профилей из того же металла трещин можно избежать, так как при прессовании металл находится в состоянии сжатия по всем трем осям. Прессование широко применяют для получения изделий из малопластичных металлов.