Деформации дислокации

1 Или предварительного зарождения под действием упругой деформации дислокаций.

В основе термодинамического подхода к изнашиванию и разрушению твердых тел лежит энергетическая аналогия механического (при деформации) и термодинамического (при плавлении и сублимации) разрушения тел. Энергия, затраченная на деформирование и разрушение твердого тела, сопоставляется с одной из термодинамических характеристик материала (теплотой сублимации, энтальпией в твердом и жидком состоянии, скрытой теплотой плавления). Тело рассматривается как сплошная однородная изотропная среда со статистически равномерно распределенными структурными элементами. Пластическое деформирование рассматривается как совокупность большого числа микроскопических актов атомно-молекулярных перегруппировок, связанных с генерированием источников деформации (дислокаций). Разрушение материала происходит тогда, когда плотность дефектов и повреждений

После деформации при комнатной температуре в структуре наблюдаются также дислокационные петли, спрямленные вин-товые компоненты дислокаций, что является характерным для низкотемпературной структуры ОЦК-металлов [9, 289]. Следует отметить и появление на границах зерен сложного «диффузно-го» контраста, обусловленного накоплением границами в процессе деформации дислокаций несоответствия или приграничных решеточных дислокаций [289].

Эффективным мероприятием по уменьшению влияния гибки на процесс накопления поврежденности при ползучести является высокий отпуск. Отпуск при 710 °С в течение 1 ч приводит к перераспределению накопленных при пластической деформации дислокаций с образованием стенок и сеток. Вследствие частичной аннигиляции дислокаций их плотность несколько уменьшается. Закономерности накопления повреждений при испытании отпущенного металла приближаются к уровню исходного состояния независимо от структуры стали.

Все это и выявляет качественную сторону механизма пластической деформации; для объяснения же количественной его стороны привлекается теория дислокаций.

Теория дислокаций,позволяет обнаружить причину низкой прочности реальных кристаллов металлов в сравнении с полученной из теоретических расчетов. Присутствие в реальных кристаллах металлов, окруженных напряжениями дислокаций, постепенное перемещение которых требует сравнительно небольших усилий и способствует сдвигам на плоскостях скольжения, сильно облегчает протекание пластической деформации и в сотни и даже тысячи раз снижает прочность металлов.

Основной причиной очень низкой прочности металлических кристаллов является также наличие у них источников дислокаций типа Франка-Рида, которые обладают способностью «образовывать» дислокации при приложении сравнительно небольших напряжений. Источник Франка-Рида действует следующим образом. Дислокация, находящаяся на плоскости скольжения и закрепленная концами, постепенно загибается под действием равномерно распределенных напряжений в петлю, растущую симметрично. Наконец, обе ее стороны замыкаются, в результате чего образуется замкнутая петля дислокации и новый участок дислокации, готовый снова загибаться и давать новую дислокацию "и т. д., что резко снижает напряжение, необходимое для осуществления пластической деформации. Дислокаций при этом образуется • чрезвычайно много, например, плотность дислокаций в отожженном металле изменяется примерно от 10е до 108 дислокаций на 1 см2, а после пластической деформации она увеличивается примерно до 1012 дислокаций на 1 см2.

Электронно-микроскопическое исследование тончайших пленок металлов, например никеля, показывает, что структура отожженного никеля до пластической деформации при б = 0%>(фиг. 36, а) состояла из светлых зерен. После вытяжки с удлинением 6=1% на светлом фоне зерна металла появляются темные зазубренные линии дислокаций (фиг. 36, б), расположенные случайно. Вытяжка с удлинением 6 =.8% значительно увеличивает число дислокаций

Однако при очень большой степени деформации дислокаций становится так много, что атомов для их заполнения не хватает и дальнейшего повышения твердости не наблюдается.

1 Или предварительного зарождения под действием упругой деформации дислокаций.

Действительно, на всех стадиях деформационного упрочнения общее количество произведенных в процессе деформации дислокаций существенно превышает то их количество, которое необходимо для поддержания самой пластической деформации. Излишек дислокаций запасается в материале и препятствует свободному скольжению. Для дальнейшей деформации необходимо увеличение прикладываемых напряжений, приводящее к росту внутренней энергии системы. Коллективные эффекты, развивающиеся в ансамбле дислокаций, направлены на ликвидацию их избыточной плотности. Стенки ячеек служат местами, благоприятными для аннигиляции дислокаций. В тот момент, когда на микроуровне образуется достаточное количество стенок ячеек для обеспечения эффективной аннигиляции избыточных дислокаций, на макроуровне наблюдается переход к стационарной стадии деформации. Последний характеризуется снижением общего уровня напряжений, а следовательно и прекращением роста внутренней энергии. По мере развития пластического течения эволюция системы в виде деформируемого твердого тела контролируется не индивидуальными свойствами единичных дислокаций, а сложной совокупностью взаимосвязанных множественных элементарных дислокационных механизмов. Существенную роль играют также дальнодействующие внутренние напряжения, источником которых служит каждая отдельная дислокация [135].

Избирательный перенос, открытый И. В. Крагельским и Д. II. Гаркуповым в 1956 г., вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта неокисляющейся тонкой металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной накапливать при деформации дислокации.

и коррозии под напряжением снижаются. В этом случае при деформации дислокации огибают частицы метаетабильных фаз, образуя многочисленные дислокационные петли и отдельные скопления. Как следствие этого, сопротивление начальным деформациям повышается, а пластичность уменьшается. В процессе коагуляции образовавшихся фаз (коагуляционное старение) прочностные свойства на начальной стадии сначала возрастают, достигая максимального значения, а затем снижаются. Пластичность, вязкость и сопротивление коррозии возрастают. На рис. 162 показано изменение механических свойств алюминиевых сплавов в зависимости от продолжительности старения при разных температурах.

При традиционном описании процесса пластической деформации исходят из того, что существующие в кристаллах системы скольжения позволяют обеспечить его формирование без разрушения сплошности. В.Е. Паниным и др. [11] было доказано, что пластическое течение происходит одновременно на нескольких уровнях, причем трансляция на одном уровне обязательно сопровождается поворотом на более высоком уровне, и наоборот. Принципиально важным в этом подходе является то, что любое нарушение структуры кристалла при подводе к нему внешней энергии рассматривается с позиции самоорганизации локальных структур, обусловленной энтропийными эффектами. Вторичные структуры, формирующиеся в деформируемом кристалле при достижении необходимого уровня возбуждения, представляют совокупность локальных структур - от дефектов типа точечных или линейных до аморфного состояния, возникающего при высокой плотности дефектов. Таким образом, при анализе пластической деформации кристаллов необходимо учитывать кооперативное взаимодействие трансляции, ответственной за изменение формы (дисторсии), и ротации, ответственной за изменение объема (дилатации). При этом важную роль в распространении скольжения играют границы зерен. Эволюция скольжения включает образование полос скольжения на начальных этапах пластической деформации, которые потом трансформируются в полосы микроскопического сдвига, что приводит к возникновению зоны локализованной макропластической деформации, проходящей через весь объем. Переход от одного масштабного уровня (микрополосы) к другому (макроиолосы) являет собой неустойчивость пластической деформации, предопределяющую шейко-образование. Он характеризуется тем, что изменяются элементарные носители деформации - дислокации сменяются дисклинациями. Дисклинации являются более энергоемкими дефектами, чем дислокации, что позволяет системе про-

3. Возможно, что отдельные наблюдаемые после деформации дислокации (точнее, дислокационные петли) появляются в результате огибания движущимися дислокациями некоторых препятствий. Такие дислокационные петли, являясь по своей природе неподвижными, не вносят вклад в пластическую деформацию.

Прямым доказательством того, что вакансии не играют заметной
Накапливающиеся в процессе пластической деформации дислокации не могут исчезнуть сами собой путем обратного скольжения после снятия нагрузки. Они удерживаются за счет своеобразной блокировки, сохраняющейся до тех, пор пока образец не будет нагрет до определенной температуры, при которой возможны процессы самодиффузии (дислокации атермичны).

Исследования в области механики контактных взаимодействий, химических и диссипативных процессов в поверхностных и приповерхностных слоях трущихся материалов показывают, что материал в указанных зонах в процессе трения резко изменяет свое физическое состояние, меняя механизм контактного взаимодействия. Происходят существенные изменения в суб- и микроструктуре приповерхностных микрообъемов. Изучение кинетики структурных, фазовых и диффузионных превращений, прочностных и деформационных свойств активных микрообъемов поверхности, элементарных актов деформации и разрушения, поиск численных критериев оптимального структурного состояния, оценок качества поверхности должны быть фундаментальной основой в поисках материалов и сред износостойких сопряжений. В настоящее время исследованы закономерности распределения пластической деформации по глубине поверхностных слоев металлических материалов, кинетика формирования вторичной структуры, процессы упрочнения, разупрочнения, рекристаллизации, фазовые переходы, которые, в свою очередь, зависят от внешних механических воздействий, состава, свойств трущихся материалов и окружающей среды. Важное значение в физике поверхностной прочности имеет определение связи интенсивности поверхностного разрушения при трении и величины развивающейся пластической деформации. Сложность указанной проблемы заключается в двойственности природы носителей пластической деформации. Дислокации, дисклинации и другие дефекты структуры являются концентраторами напряжений, очагами микроразрушения. В то же время движение дефектов (релаксационная микропластичность) приводит к снижению уровня напряжений концентратора, следовательно, замедляет процесс разрушения. Условия деформации при трении поверхностных слоев будут определять преобладание одного из указанных механизмов, от которого будет зависеть интенсивность поверхностного разрушения. Межатомный масштаб связан с характерным сдвигом, производимым элементарными носителями пластической деформации (дислокациями). В легированных металлических системах величина межатомного расстоя-

стической зоне. По мере увеличения степени деформации дислокации

Под действием сдвигающих напряжений дислокация перемещается вдоль плоскости скольжения. Для перемещения дислокации требуется меньшее касательное напряжение, так как атомы находятся в состоянии неустойчивого равновесия в решетке. Винтовая дислокация заключается в том, что часть кристаллической решетки на некотором протяжении оказывается сдвинутой на один параметр решетки относительно другой. При винтовой дислокации лишней атомной плоскости нет. Дислокации зарождаются при кристаллизации металлов и их сплавов, а также образуются в процессе пластической деформации. В процессе пластической деформации дислокации могут образоваться по механизму Франка— Рида. Сущность механизма образования дислокаций Франка — Рида заключается в следующем. Линейная дислокация, зародившаяся при кристаллизации, под действием касательных напряжений выгибается и принимает форму полуокружности. Этому моменту соответствует наибольшее значение касательных напряжений. При дальнейшем выгибании дислокация принимает форму замкнутой кривой (окружности), внутри которой остается исходная дислокационная линия. Наружная дислокация разрастается до внешней поверхности кристалла, а внутренняя вновь выгибается, порождая новую дислокацию. Препятствием движению дислокаций являются границы блоков и кристаллов. При пластической деформации кристаллы дробятся, увеличивается число блоков и протяженность их границ. Скопление дислокаций затрудняет зарождение новых дислокаций, так как для их генерирования теперь потребуются большие касательные напряжения. Усилие, необходимое для осуществления пластической деформации, возрастает с увеличени-

Эту дополнительную деформацию называют деформацией с инвариантной решеткой. С помощью электронного микроскопа можно обнаружить следы такой деформации - дислокации, дефекты упаковки и двойниковые дефекты. Важную роль в механизме эффекта памяти формы играют двойниковые дефекты, тесно связанные с псевдоупругостью двойнико-вания и псевдоупругостью изгиба.

Обычно считают, что главную роль в установлении равновесной концентрации вакансий играют дислокации [19, 20]. Обоснованием такого утверждения служат экспериментальные результаты по отжигу избыточных вакансий после закалки [18], а также теоретические оценки Ломер [18]. Сравнивая работу упругого изгиба дислокации с изменением свободной энергии из-за пересыщения решетки вакансиями, Ломер показала, что дислокации должны работать как стоки вакансий уже при малых пересыщениях (~1%). Однако недавно было показано [21], что в алюминии при предплавильных температурах при отсутствии пластической деформации дислокации не работают даже при пересыщениях ~ 15—20%, а основными источниками и стоками вакансий являются межзеренные границы и свободная поверхность.