§ 106. Природа пластичности

На поверхности монокристаллического образца, подвергнутого пластической деформации сдвига, часто можно наблюдать системы параллельных линий. Эти линии представляют собой следы пересечения поверхности тела с плоскостями скольжения, вдоль которых одни части кристалла как бы соскальзывают как целое относительно других соседних частей. Таким образом, пластическая деформация имеет неоднородный характер: большие смещения при сдвиге происходят лишь вдоль сравнительно далеко отстоящих друг от друга плоскостей; части же кристалла, лежащие между этими плоскостями, почти не деформируются. На рис. 11 изображена схема деформации тела, осуществляющаяся такими скольжениями.

Расположение плоскостей скольжени я тесно связано со структурой кристаллической решетки. В каждом кристалле скольжение происходит в основном лишь вдоль определенных кристаллических плоскостей. Так, в кристалле NaCl — это плоскости (ПО), в металлических кристаллах с гранецентри-рованной кубической решеткой — это плоскости (111).

Каков механизм соскальзывания одной части кристалла относительно другой? Если бы оно происходило сразу по всей плоскости скольжения, то для его осуществления требовались бы очень большие напряжения. Переход от одного равновесного расположения атомов к другому (скажем, от изображенного на рис. 8, а, к изображенному на рис. 8, г)

должен был бы проходить через сильную упругую деформацию, в которой относительные смещения (в области вблизи плоскости скольжения) достигали бы порядка величины Для этого требовались бы напряжения порядка величины модуля сдвига G.

В действительности же пределы упругости реальных тел обычно в 102—104 раз меньше их модулей сдвига, т. е. для осуществления сдвига требуются сравнительно очень небольшие усилия. Это объясняется тем, что в действительности скольжение осуществляется за счет передвижения дислокаций в кристаллах.

Простейшая схема этого механизма изображена на последовательности рис. 8, а — г. Если в кристалле имеется краевая дислокация (проходящая через точку А перпендикулярно передней грани кристалла), то в результате ее перемещения в плоскости скольжения от левого к правому краю тела возникнет сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на один период решетки. Перемещение же дислокации связано лишь со сравнительно небольшой перестройкой решетки, затрагивающей атомы только вблизи одной линии. Иллюстративно этот процесс можно уподобить перемещению складки по ковру: складка перемещается легче, чем ковер в целом, но в результате перемещения складки от одного конца ковра к другому происходит некоторый сдвиг ковра в целом.

Таким образом, пластичность твердого тела связана с наличием в нем дислокаций и с возможностью свободного перемещения последних. Это перемещение может, однако, тормозиться различными препятствиями, например растворенными в решетке атомами примесей или содержащимися в теле мельчайшими твердыми включениями. Дислокации тормозятся также при пересечении друг с другом, а также с границами зерен в поликристаллическом теле. В то же время взаимодействие дислокаций друг с другом и с другими дефектами приводит к возникновению новых дислокаций. Эти процессы очень существенны, так как именно они поддерживают развитие пластической деформации. В противном случае деформация прекратилась бы, как только были бы «использованы» все имевшиеся в теле дислокации.

Число дислокаций в теле характеризуется их плотностью — числом дислокационных линий, пересекающих проведенную внутри тела единичную площадку. Это число может быть самым разнообразным, меняясь от 102—103 см"2 в наиболее совершенных чистых монокристаллах до 10ц— 1012 см"2 в сильно деформированных (холоднообработан-ных) металлах.

Из сказанного выше ясно, что наименее прочными (т. е. обладающими наименьшими пределами упругости) будут чистые монокристаллы, плотность дислокаций в которых сравнительно невелика, так что дислокации практически не мешают друг другу при своем движении. Упрочнение материала может быть достигнуто растворением в нем примесей или осаждением микроскопических твердых включений, уменьшением размеров зерен. Так, прочность железа повышается (в различных сортах стали) растворенными в нем атомами углерода или выпавшими в процессе затвердевания микроскопическими включениями карбида железа.

Пластическое деформирование само разрушает кристаллическую решетку, увеличивая число дефектов в кристаллах и тем самым затрудняя дальнейшее перемещение дислокаций. В этом заключается природа явления упрочнения при деформировании, в том числе природа упрочнения металлов холодной обработкой (так называемый наклеп металлов).

Достигаемое при пластической деформации упрочнение не сохраняется, однако, на неограниченное время. Наиболее устойчивым состоянием тела является не разрушенный, а идеальный кристалл, который представляет собой наиболее равновесное состояние твердого тела. Поэтому с разрушенными кристаллами происходят явления, называемые рекристаллизацией. Дефекты структуры «залечиваются», зерна поликристаллического тела растут — большие за счет меньших, и в результате получается более совершенный и соответственно менее прочный агрегат. Рекристаллизация происходит тем быстрее, чем выше температура. Наиболее интенсивно она происходит при сравнительно высоких температурах, в особенности при температурах, не далеких от точки плавления (в частности, при отжиге металлов}. При низких температурах рекристаллизация практически останавливается. Под влиянием рекристаллизации упрочнение постепенно ликвидируется, и если тело находится под действием постоянной нагрузки, то оно медленно течет.

Температура оказывает также сильное влияние на движение дислокаций. Поскольку это движение связано с преодолением атомами (в их перестройке вблизи движущейся линии дислокации) потенциальных барьеров,оно представляет собой процесс активационного типа (ср. §91), и потому понижение температуры быстро останавливает его, тем самым уменьшая пластичность тела.

Описанные выше способы повышения прочности материала основаны на создании затруднений движению дислокаций. Возможен также и противоположный путь упрочнения — создание монокристалла, вовсе не содержащего дислокаций.

Такой кристалл должен был бы обладать, в принципе, наибольшим возможным пределом упругости: его пластическая деформация могла бы осуществляться лишь путем одновременных соскальзываний по целым плоскостям, что требовало бы, как уже указывалось, приложения чрезвычайно больших напряжений.

К этому идеалу приближаются так называемые усы — тончайшие нитевидные кристаллы, толщины которых измеряются микронами. «Усы» образуются как металлами, так и неметаллами и могут быть получены различными способами, например: осаждением слабо пересыщенных паров чистых металлов при соответствующих температурах в инертной газовой среде, медленным осаждением смей из растворов и др.

Рост таких кристаллов во многих случаях осуществляется, по-видимому, вокруг одиночных винтовых дислокаций описанным в § 105 механизмом. Дислокация, расположенная вдоль оси нити, не влияет при растяжении нити на ее механические свойства и кристалл ведет себя практически как идеальный.

Как ясно из изложенного, все описанные свойства пластичности относятся только к телам кристаллическим. Аморфные тела (например, стекла) не способны к пластическим деформациям (такие тела называют вообще хрупкими). Происходящие в них отклонения от упругих явлений сводятся либо к поломке (разрыву), либо к медленному течению под влиянием длительно действующих сил, в соответствии с тем, что аморфные тела — это жидкости с очень большой вязкостью.