Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В
ний практически не оказывает на нее влияния), она начинается, когда τ превышает некоторое критическое значение τкр, характерное для данного материала.
Плоскость скольжения и принадлежащее ей направление скольжения систему скольжения. Каждому типу решетки соответствует определенное число систем скольжения. Например, для ГЦК решетки плоскости скольжения – {111}, направления – <110>, а число эквивалентных систем скольжения равно 12 (четыре плоскости скольжения и три направления скольжения в каждой из них) (рис.1.4).
(110) |
(111) |
Рис. 1.4. Плоскости и направления скольжения в кристаллах ОЦК, ГЦК и ГПУ
Согласно теоретическим расчетам, критическое касатель-
ное напряжение, при котором начинается скольжение двух час- |
||
теор-4 |
≈ /30 |
|
тей идеального кристалла друг относительно друга, составило |
||
|
|
, где – модуль сдвига. Однако, согласно экспери- |
ментальным данным, критическое напряжение составляет (10-5 – |
||
10 ) |
. Столь большое расхождение связано с присутствием в |
|
реальном кристалле дислокаций – линейных дефектов кристаллической решетки. Прочностью, близкой к теоретической, должны обладать материалы с кристаллической решеткой, близ-
11
кой к идеальной. Примером таких бездислокационных материалов являются нитевидные нанокристаллы (они будут рассматриваться во второй части настоящего пособия).
Краевая дислокация получается в результате удаления из решетки одной полуплоскости, соседние плоскости огибают границу удаленной плоскости таким образом, что на гранях кристалла структура не нарушена (рис. 1.5, а). Из-за наличия такой дислокации сдвиг начинается только в одном месте, затем под действием касательного напряжения дислокация движется по всей плоскости скольжения в направлении вектора Бюргерса b. При этом требуются сравнительно небольшие усилия, поскольку для смещения дислокации на одно межатомное расстояние требуется лишь незначительное перемещение атомов (рис. 1.5, б). Деформация за счет движения дислокации осуществляется последовательными перемещениями атомов (в случае идеального кристалла при скольжении смещения атомов происходят одновременно).
Дислокации в результате перемещения покидают кристалл, однако в процессе деформации происходит рождение новых дислокаций (например, в результате действия источников Фран- ка-Рида [10]). Это объясняет большую величину пластической деформации кристаллов. При увеличении степени деформации повышается плотность дислокаций, растет упругое взаимодействие между ними, в результате их подвижность уменьшается и для увеличения деформации необходимо повышать нагрузку, т.е. происходит деформационное упрочнение.
Таким образом, если плотность дислокаций невелика, то они снижают прочность материала, а при высокой плотности – напротив, упрочняют его. Различные методы упрочнения (легирование, наклеп при прокатке, термообработка и др.) сводятся к увеличению плотности дислокаций.
12
Рис. 1.5. Образование сдвига в результате движения краевой дислокации: а – кристалл в исходном состоянии; б – смещение дислокации на одно межатомное расстояние; в – дислокация после достижения поверхности совершила единичный сдвиг [10]
Пластическая деформация, обусловленная движением дислокаций, необратима: обратная деформация (при приложении обратной нагрузки) будет осуществляться, в основном, не путем движения дислокаций вспять, а за счет зарождения и движения новых.
Внекоторых материалах реализуется второй основной механизм неупругой деформации – двойникование. В этом случае относительно некоторой плоскости кристалла, ориентированной благоприятно по отношению к приложенному касательному напряжению и называемой плоскостью двойникования, происходит сдвиг определенных частей кристалла таким образом, что он
врезультате делится на две части, являющиеся зеркальным отображением друг друга (рис. 1.6).
Вобласти сдвига большинство атомов смещаются на расстояния, меньшие межатомных, при этом в каждом слое атомы смещаются на одинаковое расстояние относительно атомов соседнего слоя. Существенной особенностью двойникования является то обстоятельство, что, в отличие от скольжения, здесь не происходит разрыва межатомных связей. Благодаря этому двойникование может быть обратимым. Такое обратимое двойникование наблюдалось в ряде соединений (например, кальците) [4]. При этом, несмотря на восстановление формы, деформация не
13
подчиняется закону Гука (является неупругой), ее возврат характеризуется гистерезисом.
Обратимость двойникования можно качественно объяснить следующим образом [4]. На границе двойника, растущего под действием внешних напряжений, возникают внутренние упругие напряжения, противодействующие его дальнейшему росту. Баланс внешних и внутренних напряжений определяет размер двойника. Если граница двойника осталась когерентной (сохраняется бездефектное сочленение решеток), то эта граница будет сохранять подвижность и после снятия нагрузки двойник исчезнет с восстановлением исходной структуры.
В металлических сплавах двойникование, как правило, сопровождается скольжением, двойники теряют когерентность и подвижность. В результате после снятия нагрузки двойники сохраняются (удается получить лишь частичный возврат деформации, накопленной при двойниковании).
τ
плоскость двойникования
Рис. 1.6. Деформация двойникованием
Получить обратимое двойникование удается на монокристаллических материалах, в случае удачной ориентации которых по отношению к внешней нагрузке процесс двойникования может оказаться предпочтительнее скольжения. На рис. 1.7 пока-
14
зана иллюстрирующий данный процесс диаграмма растяжения и последующей разгрузки в монокристалле дисперсионностареющего сплава системы Cu-Al-Co [4]. Видно, что наблюдается аномальна большая обратимая деформация. Температура не вносит в этот процесс каких-либо качественных изменений, поскольку по своей сути он имеет чисто механическую природу (ключевым является противодействие внешних и внутренних напряжений).
σ,
кг/ мм2 60
40 
20
1 2 3 ε, %
Рис. 1.7. Диаграмма растяжения дисперсионно-стареющего монокристалла сплава Cu-Al-Co при T = 196 oC [4]
1.3. Мартенситные превращения
Как известно, многим металлам и сплавам свойственно явление полиморфизма – в различных термодинамических условиях они имеют разную кристаллическую решетку. Стимулом к полиморфному фазовому переходу является энергетическая выгодность: при заданных температуре и давлении реализуется структура, соответствующая минимуму свободной энергии.
Перестройка решетки может осуществляться путем диф-
фузионного либо бездиффузионного превращения. Первый слу-
чай характерен для высоких температур и высокой диффузионной подвижности атомов. Каждый отдельный атом покидает ис-
15