Природа стадий пластической деформации

Дислокации, имеющие  вдоль данного направления одно направление их вектора Бюргерса [1, 5], можно принять за положительные; тогда дислокации, имеющие противоположное направление вектора Бюргерса, являются отрицательными. Соответственно вводится понятие r+ и r- . Дислокации разного знака могут аннигилировать. Важной характеристикой дислокационной структуры является разность между r+ и r- :

r? = r+ - r- .

Величину r? называют избыточной плотностью дислокаций. Она  характеризует пластический изгиб  кристаллической решетки и может  быть определена по его градиенту ?j / ?l (поворот, приходящийся на единицу  длины):

В этом случае избыточная плотность дислокаций непосредственно  связана с радиусом кривизны кристалла R и средней кривизной c кристаллической  решетки:

В общем случае плотность дислокаций является тензорной  величиной.

Первый обзор  в отечественной литературе по этой проблеме принадлежит В.Л. Инденбому. Значение r? характеризует степень поляризации пространственно распределенного дислокационного заряда и является локальной величиной. Когда деформации невелики, дефектов мало, кристаллическая решетка искажена очень незначительно (то есть отсутствуют локальные разориентировки одних частей кристалла относительно других), значение r? близко к нулю. С увеличением деформации r? может нарастать. Методика экспериментального измерения r? и c с использованием электронной микроскопии была разработана Э.В. Козловым и автором этих строк с сотрудниками и подробно изложена в ряде публикаций (см., например, [9]).

Скалярная и  избыточная плотности дислокаций и  их изменения с деформацией четко  связаны со стадийностью кривой течения. Соответствующие данные приведены на рис. 3. Анализ результатов показал, что скалярная плотность дислокаций r с ростом деформации e изменяется тождественно с напряжением течения s, а скорость ее изменения dr / de - с коэффициентом упрочнения q. Отметим, что на стадии II скорость накопления скалярной плотности дислокаций достигает максимальной величины, на стадии III резко снижается, а на стадии IV выходит на постоянное (низкое) значение. Уменьшение скорости накопления скалярной плотности дислокаций связано с интенсивным развитием процесса аннигиляции дислокаций противоположного знака.

Скалярная плотность  дислокаций является важным параметром, контролирующим эволюцию дислокационной субструктуры и стадийность пластического  течения [3, 6]. Установлено, что как в монокристаллах, так и в поликристаллах с разным размером зерен новый тип субструктуры и соответственно новая стадия пластической деформации возникают при достижении определенного значения скалярной плотности дислокаций. Это значение плотности дислокаций является критическим, поскольку приводит к превращению одной субструктуры в другую, что сопровождается появлением новой стадии пластического течения. Дислокации неоднородно распределены по объему материала. Локально измеренная скалярная плотность rлок дислокаций для отдельных составляющих субструктуры, то есть в различных типах одновременно существующих дислокационных структур, оказывается различной. Она всегда выше в каждой последующей субструктуре по сравнению с предыдущей.

Избыточная плотность  дислокаций в начале пластической деформации практически равна нулю. Она начинает заметно отличаться от нуля лишь к концу стадии II. Скорость ее накопления dr? / de достигает максимума к середине стадии III и спадает до постоянной величины к началу стадии IV (рис. 3). Как уже указывалось, появление избыточной плотности дислокаций свидетельствует о развитии процессов аннигиляции дислокаций противоположных знаков. С интенсивной аннигиляцией дислокаций противоположного знака связано уменьшение скорости накопления скалярной плотности дислокаций начиная со стадии III. Заметим, что появление этой стадии связано с началом формирования разориентированных дислокационных структур [6]. При образовании таких дислокационных субструктур соседние участки деформированного материала оказываются развернутыми друг относительно друга на некоторый угол. При значительных деформациях (e $ 20%) такие разориентировки могут достигать значений 5-10? и более.

Близость скоростей  накопления скалярной и избыточной плотностей дислокаций на стадии IV указывает на то, что почти все появившиеся на стадии IV дислокации аннигилируют и сохраняется лишь избыток дислокаций одного знака в локальных объемах деформированного материала. Таким образом, накопление избыточной плотности дислокаций также коррелирует со стадиями кривой течения. На основании формулы (4) такой же вывод может быть сделан относительно кривизны кристаллической решетки. На стадии IV значительно усложняется характер изгиба кристаллической решетки.

5. СТАДИИ ДЕФОРМАЦИИ 

И СУБСТРУКТУРНОЕ УПРОЧНЕНИЕ

Деформация кристаллических  тел осуществляется в результате движения дислокаций. С ростом деформации их число увеличивается. Дислокации, движущиеся в кристалле, испытывают сопротивление движению, обусловленное  наличием других дислокаций. Поэтому  для деформации необходимо увеличивать напряжение. Это явление называется субструктурным упрочнением [2]. Оно практически полностью определяет упрочнение чистых металлов.

В начале пластической деформации дислокации распределяются в объеме материала хаотически. Дислокации, движущиеся через хаотически расположенные неподвижные дислокации, испытывают сопротивление движению, которое складывается из двух компонентов [2]. Во-первых, это сопротивление, обусловленное наличием совокупного упругого поля всех дислокаций, имеющихся в материале при данной степени деформации; обозначим эту компоненту sупр . Во-вторых, скользящая дислокация может взаимодействовать контактным образом с другой дислокацией, что сопровождается образованием дислокационных барьеров, препятствующих скольжению других дислокаций. Таким образом создается другая компонента - контактное сопротивление sконт . В аддитивном приближении сопротивление деформированию (или напряжение течения) можно представить в виде

s = sконт + sупр  .

Величина первого  слагаемого в (5) определяется в основном общей плотностью дислокаций r, что сопровождается образованием дислокационных барьеров, препятствующих скольжению других дислокаций, величина второго слагаемого существенно зависит от типа их пространственного распределения (типа субструктуры). При хаотическом распределении это сопротивление зависит, как и первое слагаемое в (5), от плотности дислокаций. При организации дислокаций в субструктуру (упорядоченном расположении дислокаций) сопротивление движению дислокаций зависит от параметров субструктуры. Возникновение стадий на кривых деформации, различающихся интенсивностью упрочнения, как следует из разделов 3 и 4, обусловлено превращением дислокационных субструктур (один тип пространственного расположения дислокаций сменяется другим). Движущей силой перестройки дислокационных субструктур является стремление дислокационного ансамбля к относительному минимуму энергии [6]: при одной и той же плотности дислокаций r реализуется их пространственное распределение, отвечающее меньшей энергии. Так, при одном и том же значении r ячеистая субструктура отвечает меньшей энергии, чем клубковая. Соответственно ячеистая субструктура с увеличением деформации развивается, а клубковая исчезает. В новой субструктуре (ячеистой) теперь уже именно ее параметры будут определять сопротивление движению дислокаций и, следовательно, новую стадию упрочнения.

Картина деформации в сплавах металлов усложняется  присутствием других факторов, которые  также создают вклады в напряжение течения. Однако их роль с деформацией изменяется мало. Следовательно, и в этих более сложных случаях стадийность пластической деформации определяется эволюцией дислокационной субструктуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в общем случае зависимость s-e состоит  из четырех стадий, различающихся интенсивностью упрочнения: переходной стадии, следующей за пределом текучести, стадии II с высоким постоянным или почти-постоянным упрочнением, стадии III с уменьшающимся значением q и стадии IV с низким и почти-постоянным коэффициентом упрочнения. Стадии пластической деформации обязаны своим появлением закономерностям эволюции дислокационных субструктур. Переход от одной стадии пластической деформации к другой обусловлен превращениями в дислокационной подсистеме кристалла. Эти превращения контролируются внутренним параметром дефектной системы - скалярной плотностью дислокации, величина которой определяется как внешним силовым воздействием, так и процессами торможения сдвига и аннигиляцией.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков И.И.  Дефекты кристаллического строения  металлов. М.: Металлургия, 1975. 208 с.

2. Конева Н.А.  Физика прочности металлов и  сплавов // Соросовский Образовательный  Журнал. 1997. № 7. С. 95-102.

3. Конева Н.А., Козлов Э.В. // Изв. вузов. Физика. 1990. № 2. С. 89-106.

4. Предводителев  А.А., Тяпунина Н.А., Зиненкова Г.М., Бушуева Г.В. Физика кристаллов с дефектами. М.: Изд-во МГУ, 1986. 239 с.

5. Вайнштейн  Б.К., Фридкин В.М., Инденбом В.Л.  Современная кристаллография. М.: Наука, 1979. Т. 2: Структура кристаллов. 359 с.

6. Конева Н.А.  Классификация, эволюция и самоорганизация дислокационных структур в металлах и сплавах // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 6. С. 97-107.

7. Штремель М.А.  Прочность сплавов: Дефекты решетки.  М.: Металлургия, 1982. 287 с.

8. Орлов А.Н.  Введение в теорию дефектов. М.: Высш. шк., 1983. 145 с.

9. Конева Н.А., Лычачин Д.В., Жуковский С.П., Козлов  Э.В. // ФММ. 1985. Т. 60, № 1. С. 171-179.

* * *

Нина Александровна  Конева, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель научной  лаборатории электронной микроскопии  кафедры физики Томского государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ). Область научных интересов - физика пластичности и прочности металлов и сплавов. Автор 162 научных статей и двух монографий.