Odkształcenie plastyczne monokryształów

Odkształcenie plastyczne metali następuje przez poślizg i bliźniakowanie.

Odkształcenie przez poślizg polega na tym, że pod wpływem sił zew-nętrznych, za pośrednictwem ruchu dyslokacji, części kryształu przesuwają się względem siebie wzdłuż płaszczyzn i kierunków krystalograficznych najgęściej obsadzonych atomami, zwanych płaszczyznami i kierunkami łatwego poślizgu.

Wzajemne przesuwanie się części kryształu powoduje zniekształcenie sieci krystalicznej, co hamuje ruch poślizgowy tak, że przerzuca się on na drugą płaszczyznę o tej samej orientacji krystalograficznej. Tworzące się stopniowo nowe płaszczyzny poślizgu są oddzielone nieodkształconymi warstwami kryształu o grubości 20—500 średnic atomowych. Wyjście płaszczyzny pośliz-gu na powierzchnię kryształu tworzy na mej uskok zwany linią poślizpośliz-gu.

Sąsiadujące linie poślizgu tworzą pasmo poślizgu, rys. 3.1.

(3.1)

Rys. 3.1. Schemat przebiegu linii i pasm poślizgu na powierzchni kryształu odkształconego plastycznie

Dyslokacje przemieszczają się w systemach łatwego poślizgu, tj. w płasz-czyznach i kierunkach najgęściej obsadzonych atomami Najczęściej wystę-Tablica 3.1 Systemy poślizgu ważniejszych metali

Metale Systemy poślizgu

płaszczyzny i kierunki poślizgu w komórce

płasz-czyzny kierunki liczba systemów

Al

Ag Al Au Feγ

Ni Pb

{111} <110> 4 × 3 = 1 2

A2

Feα

Mo W

{110} <111> 6 × 2 = 1 2

Feα

Mo W Na

{211} <111> 1 2 × 1 = 1 2

Feα

Cr Nb K

{321} <111> 2 4 × 1 = 2 4

A3

Zn Mg Ti Cd

{0001} <1120> 1 × 3 = 3

54

pujące systemy poślizgu - kombinacje płaszczyzn i kierunków najczęściej obsadzonych atomami, dla ważniejszych metali o sieci Al, A2 i A3, przed-stawiono w tabl. 3.1.

Z możliwych dla danego kryształu systemów, poślizg przede wszystkim występuje w płaszczyźnie i kierunku, gdzie składowa styczna naprężenia osiąga maksymalną wartość. W przypadku osiowego rozciągania będzie to płaszczyz-na i kierunek tworzące kąt 45° z osią próbki Zwiększenie płaszczyz-naprężenia umożliwia poślizg także w innych systemach mniej korzystnie usytuowanych do kierunku składowej stycznej naprężenia. Wzrost temperatury ułatwia poślizg, co tłumaczy obserwowane tu zwiększenie plastyczności metali.

Poślizg rozpoczyna się, gdy naprężenie styczne w płaszczyźnie i kierunku łatwego poślizgu, pochodzące od sił zewnętrznych, osiągnie pewną minimalną wartość zwaną krytycznym naprężeniem stycznym (τkr). Jest to minimalne naprężenie wymagane do uruchomienia dyslokacji. Dla monokryształów czystych metali krytyczne naprężenie styczne jest bardzo małe i wynosi 0,6-9,0 MPa. Zależność naprężenia ścinającego w kierunku łatwego poślizgu od siły rozciągającej F można wyznaczyć przez analizę rozciągania monokrysz-tału w kształcie walca, rys. 3.2.

Rys. 3.2. Rozkład sił w rozciąganym monokrysztale walcowym

Jeżeli pole przekroju poprzecznego rozciąganej próbki wynosi S0, kąt między płaszczyzną przekroju poprzecznego i płaszczyzną poślizgu wynosi φ, to pole tej ostatniej wynosi S1 = So/cosφ. Gdy kierunek poślizgu tworzy z kierunkiem działania siły F kąt a, to składowa tej siły w kierunku poślizgu ma wartość Fs = F·cosα. Stąd naprężenie ścinające w kierunku poślizgu wynosi

(3.2) Gdy T < τkr, powstaje odkształcenie sprężyste, a gdy τ > τkr, — odkształ-cenie plastyczne przez poślizg. Wartość τkr, zależy od sił wiązania atomów, temperatury, prędkości odkształcenia i czystości metali.

W czasie rozciągania monokryształu metalu zachodzą równocześnie trzy procesy związane z poślizgiem:

1) wzajemne przesuwanie się warstw krystalicznych,

2) obrót płaszczyzn poślizgu w kierunku siły rozciągającej (α 90°), 3) obrót płaszczyzn łatwego poślizgu wokół osi do nich prostopadłych, tak aby

kierunek łatwego poślizgu pokrył się z kierunkiem naprężeń ścinających.

W ten sposób próbka walcowa przekształca się stopniowo w płaską taśmę.

Wyznaczone doświadczalnie wartości τkr okazały się 102 —104 razy mniej-sze od obliczonych teoretycznie przy założeniu, że poślizg zachodzi jednocześ-nie w całym przekroju kryształu, a więc kojednocześ-nieczne jest równoczesne pokonajednocześ-nie sił wiązania wszystkich atomów znajdujących się w płaszczyźnie poślizgu.

Dopiero zastosowanie teorii dyslokacji do wyjaśnienia mechanizmu poślizgu pozwoliło na usunięcie tej rozbieżności. Przyjęto, że poślizg jest spowodowany ruchem dyslokacji.

Wobec zwykle bardzo dużej gęstości dyslokacji w sieci metalu jest prawdopodobne wystąpienie w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji krawędziowej o wektorze Burgersa zgodnym z kierunkiem naprężenia, co umożliwia poślizg.

Ponieważ dyslokacje w krysztale stanowią obszar sieci o podwyższonej energii, przyłożenie nawet małego naprężenia stycznego zapoczątkowuje ruch dys-lokacji, a więc poślizg (rys. 2.23). Ruch dyslokacji powoduje, że podczas poślizgu przemieszcza się kolejno tylko niewielka liczba atomów. W koń-cowym etapie dyslokacja wychodzi na powierzchnię kryształu, gdzie zanika wytwarzając uskok odpowiadający stałej sieciowej.

Konieczna zgodność wektora Burgersa z kierunkiem poślizgu wyjaśnia przyczyny występowania poślizgów nie w kolejnych, lecz różnych płaszczy-znach, w których ten warunek jest spełniony. W monokrysztale ruch dyslokacji w określonej płaszczyźnie zostaje zahamowany przez defekty sieci, co wyjaśnia ograniczoną długość poślizgu. Zahamowanie ruchu dyslokacji powiększa odporność materiału na ścinanie w płaszczyźnie poślizgu — kryształ umacnia się. Wartość i prędkość umocnienia zależy od struktury metalu. Metale o strukturze A3 umacniają się nieznacznie, niezależnie od temperatury. Silniej umacniają się metale o strukturze Al, a najsilniej metale o strukturze A2.

Bliźniakowanie polega na skręcaniu (obrocie) jednej części kryształu względem drugiej o kąt a w określonej płaszczyźnie i kierunku, na ogół gęsto wypełnionych atomami, charakterystycznych dla danej struktury krystalicznej, rys. 3.3.

Kąt obrotu jednej części kryształu względem drugiej jest stały dla danej struktury. W przemieszczonej części kryształu przesunięcia atomów położonych w tej samej płaszczyźnie są proporcjonalne do ich odległości od płaszczyzny bliźniakowania. Stąd obie części kryształu stanowią lustrzane odbicie, symetryczne względem płaszczyzny bliźniakowania.

56

Naprężenie potrzebne do bliźnia-kowania jest znacznie większe niż naprężenie niezbędne dla poślizgu.

Wpływ temperatury na bliźniakowa-nie jest natomiast słaby. Bliźniaki uwidaczniają się podczas badań mik-roskopowych w postaci równoległych pasm przecinających kryształ, o od-miennym od pozostałej jego części zabarwieniu.

Udział bliźniakowania w od-kształceniu plastycznym jest na ogół mały, lecz ma duży wpływ na cał-kowitą wartość odkształcenia, po-nieważ stwarza warunki umożliwiają-ce powstawanie nowych płaszczyzn poślizgów. Udział bliźniakowania w całkowitym odkształceniu jest

Rys. 3.3. Schemat odkształcenia przez bliź-niakowanie: α — kąt skręcenia kryształu

nieznaczny w przypadku bardzo plastycznych metali o strukturze Al, jak Au, Ag, Cu, gdzie dominuje poślizg. Większy jest udział bliźniakowania w odkształ-ceniu metali mniej plastycznych o strukturze A3.