ПЛАСТИЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ

Свойство крист. тел необратимо изменять свои размеры и форму под действием механич. нагрузок. Пластичность крист. тел (или материалов) связана с действием разл. микроскопич. механизмов пластич. деформации, относит. роль .каждого из к-рых определяется внеш. условиями: темп-рой, нагрузкой, скоростью деформирования. Эти механизмы рассмотрены ниже в порядке увеличения числа атомов, участвующих в элем. акте пластич. деформации.

С а м о д и ф ф у з и о н н а я и д и ф ф у з и о н н а я П. к. Перенос массы может осуществляться посредством самодиффузии по поверхности или через объём кристалла. Самодиффузия происходит путём проникновения атомов поверхностных слоев внутрь кристалла в виде междоузельных атомов на участках сжатия и «выделения» их на участках, подверженных действию растягивающих сил. Одновременно в противоположном направлении идёт поток вакансий, рождающийся в окрестности приложения растягивающих сил и аннигилирующих в местах действия сил сжатия на поверхности кристалла. В большинстве реальных случаев самодиффузионная деформация в осн. связана с направленными потоками вакансий, к-рые образуются легче, чем междоузельные атомы.

В кристалле, состоящем из атомов разного сорта, в однородном поле напряжений происходит ориентац. упорядочение относит. расположения атомов (рис., а), в результате чего кристалл приобретает нек-рую зависящую от степени упорядоченности деформацию.

Диффузионная пластичность: а — ориентационное упорядочение примесных атомов (чёрные кружки) при сжатии — растяжении; б — перераспределение примесных атомов при изгибе; I — исходный кристалл; II -кристалл с примесными атомами под действием напряжений; 111 — конечная деформация кристалла.

После снятия напряжений упорядоченное состояние может быть невыгодно, но оно нек-рое время сохраняется. Если в кристалле создано неоднородное поле напряжений, то атомы примеси большего радиуса и междоузельные атомы (рис., б) стремятся перейти в растянутые области решётки, а меньшего — в сжатые; возникает неоднородное распределение концентраций, стабилизирующее исходную неоднородную деформацию. В реальных условиях перемещение дефектов происходит за счёт тепловых флуктуации, частота к-рых быстро падает с понижением темп-ры.

К р а у д и о н н а я П. к. обусловлена рождением и перемещением краудионов — сгущений атомов вдоль плотно упакованных рядов атомов в кристалле (см. ДЕФЕКТЫ). При вдавливании острия в поверхность кристалла материал из зоны вдавливания удаляется «разбегающимися» из-под острия краудионами.

Д и с л о к а ц и о н н а я П. к. Типичный вид пластич. деформации кристаллов — скольжение по кристаллографич. плоскостям. Наиболее легко скольжение происходит по плотноупакованным плоскостям вдоль плотно-упакованных направлений. Скольжение по системе параллельных плоскостей даёт макроскопич. сдвиг, а сочетание сдвигов, соответствующих скольжению по разл. системам, составляет осн. часть пластич. деформации кристаллов. В реальных кристаллах в процессе их образования всегда возникают дислокации. Атомы вблизи дислокаций смещены из своих положений равновесия, а перевод их в новые положения равновесия, отвечающие сдвигу кристалла по плоскости скольжения на одно межатомное расстояние, требует значительно меньших затрат энергии, чем для атомов в неискажённом кристалле. Под действием напряжений дислокации способны увеличивать свою протяжённость (т. н. размножение дислокаций). Поэтому стадия образования новых дислокаций лишь в исключит. случаях лимитирует скольжение (напр., начало деформации в бездислокац. микрокристаллах). В остальных случаях развитие скольжения определяется движением дислокаций. По подвижности дислокаций все материалы делятся на 2 группы. В к о в а л е н т н ы х к р и с т а л л а х этот барьер для движения дислокаций по порядку величины приближается к энергии межатомных связей и может быть прёодолён только за счёт тепловой активации (термич. флуктуации). Поэтому подвижность дислокаций становится заметной лишь при достаточно больших темп-pax, а при умеренных — ковалентные кристаллы непластичны. В м е т а л л и ч е с к и х и и о н н ы х к р и с т а л л а х барьер для перемещения дислокаций в 103—104 раз меньше энергии связи и исчезает при напряжениях 10-3—10-4 G (где G — модуль сдвига); при таких напряжениях движение дислокаций не нуждается в тепловой активации и их подвижность слабо зависит от темп-ры. Поэтому сопротивление движению дислокаций пренебрежимо мало, чем обусловлена высокая пластичность ионных и металлич. кристаллов.

В р е а л ь н ы х к р и с т а л л а х имеются разл. дефекты (точечные дефекты, примесные атомы, дислокации, частицы др. фаз), и сопротивление скольжению зависит от вз-ствия движущихся дислокаций с этими дефектами. В результате вз-ствия друг с другом дислокации тормозятся и останавливаются, поэтому для протекания деформации с постоянной скоростью необходимо непрерывное рождение новых дислокаций. Это приводит к постоянному увеличению плотности дислокаций в кристалле, к-рая достигает 1011—1012 см-2; соответственно растёт их взаимное сопротивление скольжению — происходит деформац. упрочнение, или наклёп кристалла.

При высоких темп-pax дислокац. механизм П. к. сочетается с диффузионным и самодиффузионным. В кристаллах с примесями релаксация напряжений у дислокаций или дислокац. скоплений может осуществляться в результате перераспределения примесных атомов. Вокруг дислокаций образуются примесные «атмосферы», и дислокац. П. к. падает (деформац. старение). Поэтому удаление примесей обычно повышает П. к. Процессы разрядки дислокац. плотности вследствие взаимной аннигиляции дислокаций протекают более интенсивно в условиях высокотемпературной деформации, деформационное упрочнение падает и деформация развивается при постоянной нагрузке (ползучесть).

Для нек-рых кристаллов (напр., кварца, кальцита) преобладающим механизмом пластичности явл. двойникование. Необратимое изменение формы может быть также результатом образования под нагрузкой новой фазы, имеющей иную крист. решётку, чем исходный кристалл.

В п о л и к р и с т а л л а х действие рассмотренных механизмов пластич. деформации внутри зёрен осложнено вз-ствием между зёрнами. Деформация поликристалла есть суммарный результат деформации во многих различно ориентированных относительно нагрузок и находящихся в разл. условиях зёрен. Поэтому развитие деформации не имеет чётко выраженного стадийного характера, как деформации монокристаллов. Межзёренные границы препятствуют распространению дислокаций и, как правило, упрочняют крист. тела при низких темп-pax. Наоборот, при высоких темп-рах наличие границ, являющихся источниками или стоками дефектов, повышает П. к. Сочетание дислокац. и самодиффузионной деформаций в приграничных областях приводит к их высокой пластичности, проявляющейся в специфич. механизме высокотемпературной деформации поликристаллов — «проскальзывании» по границам зёрен. Перемещение зёрен друг относительно друга происходит подобно движению ч-ц в сыпучих материалах и в нек-рых случаях обеспечивает деформацию до 1000% («сверхпластичность»). Высокая П. к. может достигаться также, если в ходе деформирования успевает проходить рекристаллизация, приводящая к удалению наиболее искажённых и, следовательно, наименее пластичных зёрен, к-рые поглощаются растущими зёрнами с более совершенной структурой.