ПЛАСТИЧНОСТЬ

ПЛАСТИЧНОСТЬ (от греч. plastikos - годный для лепки, податливый, пластичный), свойство твёрдых тел необратимо изменять свои размеры и форму (т. е. пластически деформироваться) под действием механич. нагрузок. П. кристаллич. тел (или материалов) связана с действием различных микроскопич. механизмов пластич. деформации, относит. роль каждого из к-рых определяется внешними условиями: темп-рой, нагрузкой, скоростью деформирования. Эти механизмы рассмотрены в порядке увеличения числа атомов, участвующих в элементарном акте пластич. деформации.

Самодиффузионная и диффузионная П. Под действием сжимающих сил происходит перемещение атомных слоев кристалла с участков его поверхности, на к-рые эти силы действуют, на участки, где действуют растягивающие силы. Перенос массы может осуществляться посредством самрдиффузии по поверхности или через объём кристалла. Если кристалл не очень мал, так что удельная его поверхность (т. е. отношение поверхности к объёму) не слишком велика, объёмная самодиффузия является наиболее эффективным механизмом. Она происходит путём "растворения", т. е. проникновения атомов поверхностных слоев внутрь кристалла в виде междоузельных атомов на участках сжатия и "выделения" их на участках, подверженных действию растягивающих сил. Одновременно в противоположном направлении идёт поток вакансий, рождающихся в окрестности приложения растягивающих сил и аннигилирующих в местах сжатия. В большинстве реальных случаев самодиффузионная деформация в основном связана с направленными потоками вакансий, к-рые образуются легче, чем междоузельные атомы (рис. 1).

Рис. 1. Самодиффузионная пластичность: I - кристалл с вакансиями в первый момент действия напряжений o (тонкими стрелками показаны направления перемещений атомов); II - деформация вследствие потока вакансий под действием напряжений; III - конечная деформация кристалла.

В кристалле, состоящем из атомов разного сорта, в однородном поле напряжений происходит ориентационное упорядочение относит. расположения атомов (рис. 2, а), в результате чего кристалл приобретает нек-рую зависящую от степени упорядоченности деформацию. После снятия напряжений упорядоченное состояние может быть невыгодно, но оно нек-рое время сохраняется, т. к. возврат в неупорядоченное состояние происходит со скоростью диффузионных перескоков атомов. Если в кристалле создано неоднородное поле напряжений, то атомы примеси большего радиуса и междоузельные атомы (рис. 2, о) стремятся перейти в растянутые области решётки, а меньшего - в сжатые; возникает неоднородное распределение концентраций, стабилизирующее исходную неоднородную деформацию. Макс. деформация, к-рая может возникнуть в результате ориентационного упорядочения или концентрационной неоднородности, ограничена составом кристалла. Т. о., самодиффузионная и диффузионная деформации определяются потоками точечных дефектов (вакансий, междоузельных и примесных атомов). В реальных условиях перемещение дефектов происходит за счёт тепловых флуктуации, частота к-рых быстро падает с понижением темп-ры. Поэтому эти механизмы П. действуют только при достаточно высоких темп-pax (не ниже 0,5 от абс. темп-ры плавления).

Рис. 2. Диффузионная пластичность: а - ориентационное упорядочение примесных атомов (чёрные кружки) в однородном поле напряжений; 6 - перераспределение примесных атомов в неоднородном поле напряжений; I - исходный кристалл; II - кристалл с примесными атомами под действием напряжений; III - конечная деформация кристалла.

Краудионная П. обусловлена рождением и перемещением краудионов - сгущений атомов вдоль плотно упакованных рядов атомов в кристалле (см. Дефекты в кристаллах). При вдавливании острия в поверхность кристалла (рис. 3) материал из зоны вдавливания удаляется "разбегающимися" из-под острия краудионами, в результате чего на нек-ром расстоянии от точки вдавливания создаётся повышенная концентрация междоузельных атомов.

Рис. 3. Краудионная пластичность: I - кристалл до вдавливания; II - образование краудионов при вдавливании острия; III - конечное изменение формы. В кристалле образовались междоузельные атомы.

Дислокационная П. Типичный вид пластич. деформации кристаллов - скольжение по кристаллографич. плоскостям. Наиболее легко скольжение происходит по плотноупакованным плоскостям вдоль плотноупакованных направлений. Скольжение по системе параллельных плоскостей даёт макроскопич. сдвиг, а сочетание сдвигов, соответствующих скольжению по различным системам, составляет основную часть пластич. деформации кристаллов. Скольжение происходит неоднородно: сначала оно охватывает нек-рую область плоскости скольжения (рис. 4), а затем границы этой области распространяются на всю плоскость. Граница распространения скольжения наз. дислокац. линией или дислокацией. Поэтому развитие скольжения можно рассматривать как образование и перемещение дислокаций. Скорость деформации пропорциональна плотности (суммарной длине дислокаций в единице объёма) и скорости перемещения дислокаций. В реальных кристаллах в процессе их образования всегда возникают дислокации, к-рые под действием напряжений способны увеличивать свою протяжённость (размножение дислокаций). Поэтому стадия образования новых дислокаций лишь в исключительных случаях лимитирует скольжение (напр., начало деформации в без дислокац. микрокристаллах). В остальных случаях развитие скольжения определяется движением дислокаций.

Рис. 4. Элементарное скольжение в результате перемещения дислокации.

Поскольку атомы вблизи дислокаций смещены из своих положений равновесия, перевод их в новые положения равновесия, отвечающие сдвигу кристалла по плоскости скольжения на одно межатомное расстояние, требует значительно меньших затрат энергии, чем для атомов в неискажённом кристалле. Энергетич. барьер для смещения дислокации тем меньше, чем больше зона искажения в окрестности дислокации. По подвижности дислокации все материалы делятся на 2 группы. В ковалентных кристаллах этот барьер по порядку величины приближается к энергии межатомных связей и может быть преодолен только за счёт тепловой активации (термич. флуктуации). Поэтому подвижность дислокаций становится заметной лишь при достаточно больших темп-pax, а при умеренных - ковалентные кристаллы непластичны. В металлич. и ионных кристаллах барьер для перемещения дислокации в 10³-10⁴ раз меньше энергии связи и исчезает при напряжениях 10^-3-10^-4 G (где G - модуль сдвига); при таких напряжениях движение дислокаций не нуждается в тепловой активации и их подвижность слабо зависит от температуры. Сопротивление движению дислокаций в совершенной кристаллической решётке пренебрежимо мало, чем обусловлена высокая П. ионных и металлических кристаллов.

В реальных кристаллах имеются различные дефекты (точечные дефекты, примесные атомы, дислокации, частицы других фаз), и сопротивление скольжению зависит от взаимодействия движущихся дислокаций с этими дефектами. В беспримесных пластич. кристаллах меж-дислокац. взаимодействие является основным. Часть сопротивления скольжению, связанная с непосредств. столкновением дислокаций, может быть уменьшена за счёт тепловой активации, однако преобладающая часть обусловлена дальнедействующим взаимодействием дислокаций через собств. поля напряжений, к-рые они вокруг себя создают, и почти не зависит от темп-ры. В результате взаимодействия друг с другом дислокации тормозятся и останавливаются, поэтому для протекания деформации с постоянной скоростью необходимо непрерывное рождение новых дислокаций. Это приводит к постоянному увеличению плотности дислокаций в кристалле, к-рая достигает 10¹¹-10¹² см^-2; соответственно растёт их взаимное сопротивление скольжению - происходит деформац. упрочнение, или наклёп кристалла.

Развитие междислокац. взаимодействия отражает диаграмма "напряжение - деформация" (рис. 5), к-рая в типичных случаях обнаруживает 3 характерных участка, отвечающих трём основным стадиям эволюции дислокац. структуры.

Рис. 5. Диаграмма "напряжение -деформация" для монокристалла цинка.

На стадии I (стадия лёгкого скольжения) плотность дислокаций относительно невелика, каждая дислокация до остановки успевает пройти расстояние, сопоставимое с размером всего кристалла, и значительная часть дислокаций выходит на поверхность кристалла. Сопротивление скольжению обусловлено взаимодействием отдельных дислокаций, плотность к-рых возрастает с деформацией относительно медленно, поэтому коэфф. упрочнения здесь мал (~ 10^-3 G). С увеличением степени деформации и ростом плотности дислокаций их распределение становится существенно неоднородным: дислокации образуют компактные скопления в плоскостях скольжения (стадия II). Поля напряжений от этих скоплений, в свою очередь, являются причиной побочной пластич. деформации. Эта локальная, различным образом направленная деформация может не проявляться в общем формоизменении кристалла, но увеличивает плотность дислокаций в результате появления дислокаций во вторичных системах скольжения. Взаимодействие дислокаций основной и вторичных систем приводит к образованию дислокационных сгущений и формированию дислокац. ячеистой структуры (риc. 6). На протяжении всей стадии II характер дислокац. структуры сохраняется, уменьшается только размер ячеек; коэфф. упрочнения ~ 10^-2 G. С дальнейшим увеличением плотности дислокаций происходит "выдавливание" части дислокаций из плоскостей скольжения, в к-рых они были расположены; при этом дислокации противоположных знаков встречаются и аннигилируют. Происходит разрядка дислокац. плотности, сопровождающаяся падением коэфф. упрочнения (стадия III). Параллельно начинаются процессы нарушения сплошности (образование микротрещин), к-рые приводят в конечном итоге к разрушению кристалла, определяющему макс. достижимую величину пластич. деформации (см. Прочность).

Рис. 6. Схема расположения дислокаций на стадии II пластической деформации,

При высоких темп-pax дислокац. механизм П. сочетается с диффузионным и самодиффузионным. В кристаллах с примесями релаксация напряжений у дислокаций или дислокац. скоплений может осуществляться в результате перераспределения примесных атомов. Вокруг дислокаций образуются примесные "атмосферы" и дислокац. П. падает (деформац. старение). Поэтому удаление примесей обычно повышает П. С другой стороны, дислокации являются эффективными стоками и источниками вакансий и междоузельных атомов. Рождение или аннигиляция этих дефектов приводят к достройке или сокращению обрывающихся на дислокациях неполных атомных плоскостей и, следовательно, "переползанию" дислокаций из своей плоскости скольжения. Потоки точечных дефектов между дислокациями разного знака приводят к самодиффузионной пластической деформации, а вызванное этими потоками переползание дислокаций позволяет им обойти препятствия, лежащие в плоскости скольжения. Путь скольжения, пройденный каждой дислокацией в условиях высокотемпературной деформации, увеличивается (по сравнению с обычными темп-рами, когда диффузионная подвижность мала). Процессы разрядки дислокац. плотности вследствие взаимной аннигиляции дислокаций протекают более интенсивно, деформационное упрочнение падает и деформация развивается при постоянной нагрузке (ползучесть).

Двойникование. Этот механизм связан с деформацией элементарной ячейки кристалла, приводящей к изменению ориентировки части кристалла относительно действующих сил (см. также Двойникование). Переориентированная часть кристалла претерпевает относительно исходного кристалла двойниковый сдвиг, величина к-рого определяется симметрией кристаллич. решётки. В реальных условиях развитие деформации происходит путём зарождения и распространения в исходном кристалле прослоек двойниковой компоненты. Если двойниковая прослойка заканчивается внутри кристалла, у её концов возникают поля напряжений; взаимодействие двойников приводит к деформационному упрочнению. В нек-рых кристаллах, напр. кальците, Двойникование - основной механизм пластической деформации, но обычно Двойникование развивается преимущественно при низких темп-pax, когда скольжение затруднено и создаются условия для локальной концентрации напряжений, необходимой для зарождения двойников.

П. вследствие протекания фазового превращения. Необратимое изменение формы может быть также результатом образования под нагрузкой новой фазы, имеющей иную кристаллич. решётку, чем исходный кристалл. При этом исходная фаза должна быть метастабильна (см. Метастабилъное состояние) по отношению к образующейся, по крайней мере при действии механич. напряжений. Поскольку относит. стабильность зависит также от темп-ры, П. в этом случае существенно зависит от темп-ры деформирования по отношению к темп-ре равновесия фаз. В определённых случаях, уменьшая стабильность образовавшейся под нагрузкой фазы за счёт изменения темп-ры, можно уничтожить полученную при превращении деформацию: кристалл возвращается к исходной форме ("эффект памяти").

В поликристаллах действие рассмотренных механизмов пластич. деформации внутри зёрен осложнено взаимодействием между зёрнами. Деформация поликристалла есть суммарный результат деформации во многих различно ориентированных относительно нагрузок и находящихся в различных условиях зёрен. Поэтому развитие деформации не имеет чётко выраженного стадийного характера, как деформации монокристаллов (рис. 5). Межзёренные границы препятствуют распространению дислокаций и, как правило, упрочняют кристаллич. тела при низких темп-рах. Наоборот, при высоких темп-pax наличие границ, являющихся источниками или стоками дефектов, повышает П. Сочетание дислокац. и самодиффузионной деформаций в приграничных областях приводит к их высокой П., проявляющейся в специфич. механизме высокотемпературной деформации поликристаллов - "проскальзывании" по границам зёрен. Перемещение зёрен друг относительно друга происходит подобно движению частиц в сыпучих материалах и в нек-рых случаях обеспечивает деформацию до 1000% ("сверхпластичность"). Высокая П. может достигаться также, если в ходе деформирования успевает проходить рекристаллизация, приводящая к удалению наиболее искажённых и, следовательно, наименее пластичных зёрен, к-рые поглощаются растущими зёрнами с более совершенной структурой. Постоянное восстановление П. за счёт рекристаллизации широко используется на практике при горячей обработке металлов.

П. простых аморфных тел связана с диффузионными перегруппировками атомов и молекул. П. ряда веществ связана с передвижением недеформирующихся твёрдых частиц друг относительно друга в нек-рой вязкой среде. К такого рода явлениям можно отнести П. глин, сыпучих тел, смоченных водой, и т. п.

Изучение П. представляет большой практич. интерес, т. к. делает возможным рациональный выбор технич. материалов, к П. к-рых обычно предъявляется целый комплекс требований как при обработке, так и при эксплуатации их в различных условиях. Изучением различных аспектов П. занимается ряд физико-математич. и теоретич. дисциплин: физика твёрдого тела (в частности, теория дислокаций) исследует микроскопич. механизмы П., механика сплошных сред (теории пластичности и ползучести) рассматривает П. тел, абстрагируясь от их атомно-кристаллич. структуры, сопротивление материалов и др.

Лит.: Фридель Ж., Дислокации [кристаллов], пер. с англ., М., 1967; Физика деформационного упрочнения монокристаллов, К., 1972; Набарро Ф. Р., Базинский 3. С., Холт Д. Б., Пластичность монокристаллов, пер. с англ., М., 1967; Хоникомб Р., Пластическая деформация металлов, пер. с англ., М., 1972.

А. Л. Ройтбурд.

Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

ПЛАСТИЧНОСТЬ →← ПЛАСТИЧНОСТЬ

ПЛАСТИЧНОСТЬ

Синонимы слова "ПЛАСТИЧНОСТЬ":

Смотреть что такое ПЛАСТИЧНОСТЬ в других словарях:

Рекомендуем посмотреть: