Пластическая деформация

Пластическая деформация в твёрдом теле

Пластическая деформация представляет собой необратимое изменение формы твёрдого тела под действием внешних сил, происходящее без разрушения его целостности. В кристаллических материалах пластическая деформация реализуется преимущественно за счёт движения и взаимодействия дислокаций, что отличает её от упругой, обусловленной обратимыми смещениями атомов в пределах потенциальных ям.

Ключевым механизмом пластической деформации в кристаллах является скольжение, заключающееся в перемещении одной части кристалла относительно другой вдоль определённых кристаллографических плоскостей (плоскостей скольжения) и направлений (направлений скольжения).

Основные характеристики скольжения

  • Плоскости скольжения — это плоскости с наибольшей плотностью атомной упаковки, вдоль которых требуется минимальная энергия для смещения атомов.
  • Направление скольжения — направление в плоскости скольжения с наибольшей плотностью атомов.
  • Система скольжения — совокупность конкретной плоскости и направления скольжения; определяет возможные траектории движения дислокаций.

Количество активных систем скольжения зависит от типа кристаллической решётки:

  • кубическая гранецентрированная решётка (ГЦК) — 12 систем;
  • кубическая объёмноцентрированная решётка (ОЦК) — 48 потенциальных систем, но с меньшей подвижностью дислокаций;
  • гексагональная плотноупакованная решётка (ГПУ) — ограниченное число систем (3–6), пластичность ниже.

Критерий Шмидта

Условие начала пластической деформации описывается критерием Шмидта, согласно которому скольжение начинается, когда касательная компонента напряжения вдоль направления скольжения достигает критического значения:

τ = σ ⋅ cos ϕ ⋅ cos λ ≥ τкр

где:

  • τ — касательное напряжение на системе скольжения;
  • σ — внешнее напряжение;
  • ϕ — угол между направлением нагрузки и нормалью к плоскости скольжения;
  • λ — угол между направлением нагрузки и направлением скольжения;
  • τкр — критическое напряжение скольжения.

Роль дислокаций в пластичности

Дислокации — линейные дефекты кристаллической решётки, играют фундаментальную роль в пластической деформации. Существуют два основных типа дислокаций:

  • краевые;
  • винтовые.

При приложении внешней нагрузки дислокации начинают двигаться вдоль плоскостей скольжения. Движение дислокаций позволяет осуществить деформацию с гораздо меньшими напряжениями, чем потребовались бы для идеального сдвига целых атомных слоёв.

Энергия активации для движения дислокаций зависит от температуры, структуры материала, наличия препятствий (включений, вакансий, других дислокаций), что определяет температурную зависимость пластичности.

Упрочнение кристаллов

С увеличением степени деформации наблюдается наклёп — повышение сопротивления дальнейшему течению. Он обусловлен:

  • увеличением плотности дислокаций;
  • их взаимодействием и запутыванием;
  • образованием дислокационных барьеров.

Типы упрочнения:

  • Дислокационное упрочнение — связано с накоплением и взаимодействием дислокаций;
  • Твердорастворное упрочнение — вызвано присутствием атомов примесей, затрудняющих движение дислокаций;
  • Дисперсионное упрочнение — обусловлено присутствием мелких включений другой фазы;
  • Упрочнение за счёт зернограничного препятствия — в мелкозернистых структурах границы зёрен затрудняют движение дислокаций (эффект Холла—Петча).

Пороговые механизмы деформации

Помимо скольжения, при высоких температурах активируются дополнительные механизмы:

  • Ползучесть — медленное течение материала под постоянной нагрузкой, доминирующее при T > 0.4Tпл;
  • Двойникование — образование симметричной области (двойника) с отражённой кристаллографической ориентацией. Особенно характерно для материалов с малым числом систем скольжения, например, с ГПУ-решёткой.

Зависимость от температуры и скорости деформации

Пластическая деформация чувствительна к температуре и скорости нагружения. При низких температурах преобладают механизмы скольжения, а подвижность дислокаций ограничена, что может приводить к хрупкому разрушению. При повышении температуры происходит активация процессов рекристаллизации и восстановления, смягчающих эффекты наклёпа.

Скорость деформации влияет на соотношение между релаксацией напряжений и накоплением деформации. При высокой скорости нагрузка может не успеть перераспределиться, что приводит к локализованной деформации.

Макроскопические проявления пластической деформации

  • Кривые деформирования: на диаграмме напряжение–деформация (σ–ε) пластическая деформация соответствует нелинейному участку после предела упругости.
  • Образование полос скольжения — плоские участки на поверхности, вдоль которых происходило перемещение атомных слоёв.
  • Шеечное сужение при растяжении — локализованное уменьшение поперечного сечения перед разрушением.

Пластическая деформация в поликристаллах

Поликристаллические материалы представляют собой совокупность зёрен различной кристаллографической ориентации. Деформация таких тел осложнена:

  • различием ориентаций зёрен;
  • взаимодействием границ зёрен;
  • неоднородностью распределения напряжений.

Зёрна, благоприятно ориентированные относительно внешней нагрузки, деформируются первыми, заставляя соседние зёрна также вовлекаться в деформацию. Важную роль играют механизмы кооперативного скольжения и сдвигов на границах зёрен.

Анизотропия и текстура

В процессе пластической деформации развивается текстура — предпочтительное направление ориентировки кристаллитов, влияющее на анизотропию физических и механических свойств. Текстурированные материалы демонстрируют различные значения прочности, пластичности и модуля упругости в зависимости от направления приложения нагрузки.

Пластическая деформация в аморфных телах

Аморфные материалы (например, металлы с металлическим стеклообразным состоянием) лишены кристаллической решётки и, соответственно, дислокационного механизма деформации. Их пластичность реализуется через локализованные сдвиги в виде зон сдвига (shear bands), что придаёт их поведению черты, отличные от кристаллических материалов.

Деформационное поведение наноструктурированных материалов

В нанокристаллических материалах с размером зёрен менее 100 нм деформационные процессы претерпевают существенные изменения:

  • движение дислокаций подавляется;
  • активизируются процессы скольжения и диффузии по границам зёрен;
  • наблюдается необычное сочетание высокой прочности и определённой пластичности.

С уменьшением размера зёрен эффект Холла—Петча сменяется обратным — наблюдается мягчение (softening), объясняемое доминированием граничных механизмов.

Закалка и восстановление

После значительной пластической деформации материал оказывается в метастабильном состоянии с высокой плотностью дефектов. Закалка закрепляет это состояние. Однако при нагреве возможны процессы:

  • восстановления — аннигиляция и перестройка дислокаций без изменения размера зёрен;
  • рекристаллизации — образование новых зерен с меньшей плотностью дефектов;
  • роста зёрен — увеличение размеров зёрен при дальнейшем нагреве.

Эти термические процессы играют критическую роль в управлении свойствами деформированных материалов в металлургии и материаловедении.

Оглавление