4.4.1. Деформация скольжением и двойникованием

В кристаллических твердых телах реализуются два основных типа пластической деформаций: двойникование и скольжение. Двойникование наиболее часто имеет место в ГПУ и ОЦК кристаллах [74]. При двойниковании происходит сдвиг определенных областей кристалла в положение, отвечающее зеркальному отражению несдвинутых областей (рис. 4.13). Сдвиг происходит относительно какой-либо благоприятным образом ориентированной к положительному напряжению τ кристаллографической плоскости, которая называется плоскостью двойникования.

Областью сдвига является вся сдвинутая часть кристалла. При двойниковании в области сдвига перемещение большинства атомов происходит на расстояния, меньшие межатомных, но в каждом атомном слое атомы сдвигаются на одно и то же расстояние по отношению к атомам нижележащего слоя.

При деформации путем скольжения одна часть кристалла перемещается в определенном направлении относительно другой вдоль какой-либо кристаллографической плоскости (рис. 4.14). Плоскость и направление скольжения образуют систему скольжения.

 

 

Для каждой кристаллической решетки может существовать несколько плоскостей скольжения. Скольжение происходит так, что атомные слои не отделяются друг от друга, т. е. атомы в плоскости скольжения перемещаются на целое число трансляций и атомная структура сохраняется.

Эксперименты показали, что процесс скольжения является анизотропным, т. е. смещение атомных слоев в кристалле происходит не в направлении действующей силы, а по кристаллографическим плоскостям и направлениям, определенным геометрией структуры. В плоскостях скольжения наблюдается, как правило, наиболее плотная упаковка атомов. Элементарные смещения при скольжении в плотноупакованных структурах требуют наименьшей силы, поскольку они являются меньшими из возможных смещений в кристалле.

Рассмотрим пример ГЦК структуры. В ней существуют четыре плотноупакованные плоскости типа (111) (рис. 4.15, а). В каждой из них лежит по три направления скольжения. Следовательно, имеется 12 основных систем скольжения.

В кристаллах с ОЦК структурой (рис. 4.15, б) основными плоскостями возможного скольжения являются плоскости типа (110) и имеется два направления скольжения с индексами [111] в этих плоскостях. Нетрудно видеть, что общее число основных систем скольжения, так же как и в случае ГЦК структуры, составляет 12.

В кристаллах, имеющих ГПУ структуру (рис. 4.15, в), плоскостями скольжения являются плоскости базиса (0001), а преимущественными направлениями скольжения − направления . Таким образом, в ГПУ кристаллах имеет место только одна плоскость и три направления скольжения, что в совокупности образует три основные

системы скольжения.

 

Рис. 4.15. Основные плоскости и направления скольжения в решетках: а − ГЦК; б − ОЦК; в − ГПУ [74]

 

Если в кристалле нет четкой направленности связей, то в них имеется большее число систем возможного скольжения, чем объясняется их значительная пластичность. Это справедливо для металлов с ГЦК решеткой, таких как алюминий Al, медь Cu, никель Ni, серебро Ag и др.

При нагружении монокристаллического образца, имеющего несколько систем возможного скольжения, пластическая деформация начнется в той системе, которая наиболее благоприятным образом ориентирована относительно направления действующих напряжений. Если известна ориентация кристалла относительно направления действующих напряжений, то можно вычислить касательную (скалывающую) составляющую напряжений, при которой начинается пластическая деформация в некотором из возможных направлений.

Рассмотрим монокристалл в виде цилиндра с площадью сечения S, к которому по оси приложено растягивающее напряжение s (рис. 4.16). Пусть скольжение происходит в плоскости . Площадь сечения цилиндра этой плоскостью составит величину , где α – угол между осью цилиндра и плоскостью скольжения.

 

Рис. 4.16. К выводу касательной составляющей напряжений

 

Разложим силу на нормальную и тангенциальную составляющие ( соответственно) и вычислим касательное напряжение: . Пусть направление вектора  совпадает с направлением возможного скольжения ОВ. Тогда скалывающее напряжение приведенной к направлению скольжения ОВ будет

.

(4.65)

 

Из формулы (4.70) видно, что скалывающее напряжение t максимально, когда плоскость и направление скольжения составляют с осью цилиндра углы .

Из вышесказанного следует, что нормальные напряжения практически не оказывают влияние на пластическую деформацию. Она происходит под действием касательных (скалывающих) напряжений.

Пластическая деформация начинается в том случае, когда скалывающее напряжение  превышает некоторое критическое значение, характерное для данного материала и данной системы скольжения. Критические напряжения деформации скольжения обычно значительно меньше критических напряжений деформации двойникования, поэтому первая встречается значительно чаще второй.