Пластическая деформация нитевидных кристаллов

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 9Следующая ⇒

Диаграммы напряжение — деформация нитевидных кристаллов (НК) представляют особый интерес для понимания процессов происходящих при пластической деформации. Дело в том, что структура сверхтонких НК с диаметром менее 10 мк близка к идеальной, а «толстые» НК диаметром более 30 мк по количеству дефектов приближаются к обычным массивным монокристаллам. Это позволяет проследить за влиянием дефектности на характер протекания пластической деформации путем сопоставления диаграммы деформации «тонких» и «толстых» НК. Типичная диаграмма растяжения «тонкого» НК показана на рис. 2.10. Она характеризуется значительной упругой деформацией, достигающей нескольких процентов и намного превышающей упругость обычных металлических макрокристаллов.

Рис. 2.10. Диаграмма растяжения НК (а) и соответствующая различным участкам диаграммы схема развития полос скольжения (б)

Рекордное значение упругой деформации (11 %) получено А. Сирсом в І962 г. при испытаниях на изгиб НК фостерита (Mg₂S_iO₄).

Значение предела текучести (рис. 2.10, 1) очень велико в таких кристаллах и приближается к теоретической прочности. Затем после достижения столь высоких значений напряжение резко падает (релаксирует), и последующее пластическое течение (участок 2—3) происходит при сравнительно небольших напряжениях. Этот участок диаграммы, соответствующий стадии легкого скольжения, может быть очень протяженным. Наибольшие степени пластической деформации на этой стадии наблюдаются в НК с решеткой ГПУ и достигают 500—600 %. Напряжение тут не остается постоянным, а меняется скачкообразно вблизи постоянного среднего значения. Эти скачки значительно меньше падения напряжения на участке 1—2 и на рис. 2.10 не показаны. Таким образом, стадия легкого скольжения в НК характеризуется не плавной, а скачкообразной деформацией. И, наконец, участок упрочнения 3—4 диаграммы соответствует началу действия вторичных систем скольжения [35].

На рис. 2.1 а, б показана схема развития полос скольжения на разных участках диаграммы растяжения НК. Резкой падение напряжения после достижения предела текучести, называемое «зубом текучести», сопровождается появлением одной широкой, а в более «толстых» НК — нескольких линий скольжения. Процесс легкого скольжения на участке 2—3 происходит путем фронтального распространения линий Людерса—Чернова до тех пор, пока вся поверхность НК не покроется параллельными линиями скольжения. Таким образом, пластическая деформация НК происходит путем последовательного сдвига в параллельных плокостях скольжения. Сдвиг в каждой предыдущей плоскости оканчивается тогда, когда на пути движущихся дислокаций встречаются препятствия. Возникающая при этом концентрация напряжений инициирует начало скольжения в следующей параллельной плоскости. Когда таким образом «отработают» первичные плоскости скольжения вдоль всего НК, начинают двигаться дислокации во вторичных плоскостях. Поэтому участку упрочнения 3—4 соответствуют на рисунке пересекающиеся линии скольжения.

По мере перехода от «тонких» к «толстым» НК характер диаграммы растяжения меняется, постепенно приобретая вид, соответствующий массивным монокристаллам (рис. 2.11). При увеличении диаметра НК меди уменьшается упругая деформация, предел текучести, протяженность стадии легкого скольжения. А коэффициент деформационного упрочнения у «толстых» НК становится больше. Диаграммы деформации НК диаметром более 40 мкм уже не имеют «зуба текучести» и практически ничем не отличаются от обычных макрокристаллов.

Рис. 2.11. Диаграммы растяжения НК меди диаметром 6, 9 мкм (а), 9, 4 мкм (б), 18, 7 мкм (в)

Каким же образом объяснить характер диаграммы деформации НК и ее изменение при увеличении диаметра? Значительная упругая деформация, наблюдающаяся в НК, свидетельствует о их высоком совершенстве. Сверхтонкие НК имеют очень мало дислокаций или вообще бездислокационны. Поэтому предел текучести в данном случае может приближаться к теоретическому напряжению. Однако пластическая деформация в таких кристаллах все же наблюдается после «зуба текучести». Это объясняется тем, что в бездислокационном кристалле под действием термических флуктуаций может образоваться зародыш сдвига, представляющий собой тонкий диск, ограниченный дислокационной линией. Для этого нужны напряжения порядка G/30, которые и достигаются в таких сверхтонких кристаллах. Далее зародыш сдвига может действовать как источник Франка—Рида.

Резкий спад напряжений после предела текучести вызван тем, что дислокации, порождаемые источником Франка—Рида, под действием столь высоких напряжений движутся с огромными скоростями, близкими к скорости звука; Поэтому, чтобы обеспечить заданную нагружающим устройством скорость деформации, необходимо значительное уменьшение напряжения, а следовательно, и скорости движения дислокаций. Дальнейшая пластическая деформация на стадии легкого скольжения происходит уже при гораздо более низких напряжениях, так как дислокаций после «зуба текучести» появляется достаточно много, хотя основное их количество выходит из кристалла. Изменение характера диаграмм при переходе к более «толстым» НК обусловлено их большей дефектностью. Поэтому предел текучести становится меньшим. Протяженность стадии легкого скольжения уменьшается вследствие возрастания вероятности задержки дислокаций у препятствий. Коэффициент же упрочнения возрастает в связи с тем, что увеличивается количество препятствий движению дислокаций в более «толстых» НК.

Большую упругость и высокий предел текучести НК используют для создания на их основе высокопрочных композиционных материалов (подробнее см. гл. 8). Уже разработаны углепластики с углеродными волокнами в качестве высокомодульных наполнителей. Для повышения на 20—30 % их прочности сдвигу на углеродные волокна осаждают НК. Очень привлекательным представляется использовать высокие механические свойства НК для повышения огнестойкости. Однако, пока такое возможно только через их применение в композиционных материалах.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 Следующая ⇒