ПЛАСТИ́ЧНОСТЬ КРИСТА́ЛЛОВ

ПЛАСТИ́ЧНОСТЬ КРИСТА́ЛЛОВ, спо­соб­ность кри­стал­лов пре­тер­пе­вать под дей­ст­ви­ем внеш­них сил пла­стические (не­об­ра­ти­мые) де­фор­ма­ции при со­хра­не­нии кри­стал­лич. ре­шёт­ки. При пла­стич. де­фор­ма­ции про­ис­хо­дят сдви­ги по не­ко­то­рым кри­стал­ло­гра­фич. плос­ко­стям в ре­зуль­та­те пе­ре­ме­ще­ния в них ли­ней­ных де­фек­тов ре­шёт­ки – дис­ло­ка­ций. Пе­ре­ме­ще­ние оди­ноч­ных дис­ло­ка­ций при­во­дит к сколь­же­нию од­ной час­ти кри­стал­ла от­но­си­тель­но дру­гой, а кол­лек­тив­ное дви­же­ние групп дис­ло­ка­ций – к двой­ни­ко­ва­нию (пе­ре­строй­ке не­ко­то­ро­го объ­ё­ма с по­во­ро­том ре­шёт­ки в по­ло­же­ние, зер­каль­но сим­мет­рич­ное по от­но­ше­нию к ос­таль­но­му объ­ё­му). Для об­щей по­тери ус­той­чи­во­сти всей ре­шёт­ки (амор­фи­за­ции) не­об­хо­ди­мо ме­ха­нич. на­пря­же­ние $σ≈0,1E$ ($E$ – мо­дуль Юн­га), для пла­стич. де­фор­ма­ции двой­ни­ко­ва­ни­ем дос­та­точ­но $σ≈10^{–2}E$. Сколь­же­ние на­чи­на­ет­ся при дос­ти­же­нии пре­де­ла те­ку­че­сти $σ_s∼(10^{-4}-10^{-2})Е$.

Пла­стич. те­че­ние опи­сы­ва­ет­ся диа­грам­мой де­фор­ма­ции $σ(ε)$ – за­ви­си­мо­стью на­пря­же­ния от от­но­сит. уд­ли­не­ния $ε=ΔL/L_0$ ($ΔL$ – при­ра­ще­ние дли­ны по от­но­ше­нию к на­чаль­ной дли­не об­раз­ца $L_0$). Обыч­но име­ет ме­сто де­фор­ма­ци­он­ное уп­роч­не­ние – рост со­про­тив­ле­ния сколь­же­нию по ме­ре де­фор­ма­ции. Этот рост (ино­гда в неск. раз) про­ис­хо­дит вслед­ст­вие раз­мно­же­ния и на­ко­п­ле­ния дис­ло­ка­ций, взаи­мо­дей­ст­вие ко­то­рых тор­мо­зит сколь­же­ние. С ус­лож­не­ни­ем сис­те­мы дис­ло­ка­ций в кри­стал­ле по­яв­ля­ют­ся оча­ги не­ус­той­чи­во­сти и раз­ру­ше­ния. Ме­рой пла­стич­но­сти слу­жит от­но­сит. уд­ли­не­ние до раз­ру­ше­ния $δ$. Вяз­кость раз­ру­ше­ния кри­стал­лич. ма­те­риа­лов в кон­ст­рук­ции (по­гло­ще­ние энер­гии рас­ту­щей тре­щи­ной) обес­пе­чи­ва­ют ма­лые ме­ст­ные пла­стич. де­фор­ма­ции, раз­гру­жаю­щие кром­ку тре­щи­ны.

Со­про­тив­ле­ние сколь­же­нию за­ви­сит от ти­па меж­атом­ной свя­зи. В ко­ва­лент­ных кри­стал­лах (ал­маз, крем­ний, со­еди­не­ния ме­талл–не­ме­талл) пре­дел те­ку­че­сти $σ_s≈10^{–2}E$, уп­роч­не­ние сла­бое и уд­ли­не­ние до раз­ру­ше­ния $δ≈1%$. В ион­ных кри­стал­лах со­лей, напр. $\ce{NaCl}$, и в ин­тер­ме­тал­ли­дах пре­дел те­ку­че­сти $σ_s≈(10^{–3}–10^{–2})E$ и уд­ли­не­ние до раз­ру­ше­ния $δ≈1-10$%. В ме­тал­лах пре­дел те­ку­че­сти $σ_s≈(10^{–4}–10^{–3})E$ и уд­ли­не­ние $δ≈10–50$%. При лю­бом ти­пе свя­зи без­дис­ло­ка­ци­он­ные ни­те­вид­ные на­нок­ри­стал­лы вы­дер­жи­ва­ют на­пря­же­ния до $σ≈0,1E$ без пла­стич. де­фор­ма­ции, но раз­ру­ша­ют­ся при уд­ли­не­ни­ях $δ\lt 1$%.

В по­ли­кри­стал­лах, со­стоя­щих из мн. зё­рен с разл. ори­ен­ти­ров­кой кри­стал­лич. ре­шёт­ки, эле­мен­тар­ные про­цес­сы де­фор­ма­ции та­кие же, как и в мо­но­кри­стал­ле. Но гра­ни­цы зер­на ог­ра­ни­чи­ва­ют про­бег дис­ло­ка­ций, так что их на­ко­п­ле­ние по ме­ре де­фор­ма­ции ин­тен­сив­нее и уп­роч­не­ние вы­ше. При этом де­фор­ма­ция до раз­ру­ше­ния обыч­но мень­ше, чем в мо­но­кри­стал­ле. Объ­ём­ные на­нок­ри­стал­лы с зер­ном ме­нее 0,1 мкм ма­лопла­стич­ны, т. к. для не­ко­то­рых про­цес­сов пла­стич. те­че­ния объ­ём зер­на не­дос­та­то­чен.

Из­ме­не­ние фор­мы кри­стал­ла при об­ра­бот­ке дав­ле­ни­ем тре­бу­ет боль­ших пла­стич. де­фор­ма­ций: ε≈10–100%. При этом раз­ру­ше­ние пре­дот­вра­ща­ют пу­тём де­фор­ма­ции с на­ло­же­ни­ем сжа­тия. Так, вы­со­ко­проч­ную сталь­ную про­во­ло­ку по­лу­ча­ют во­ло­че­ни­ем, по­вто­ряя де­фор­мации до сум­мар­но­го уд­ли­не­ния бо­лее 1000%. Для уп­роч­не­ния без из­ме­не­ния фор­мы мно­го­крат­но при­ме­ня­ют по­пе­ре­мен­но на­прав­лен­ную боль­шую де­фор­ма­цию (все­сто­рон­няя ков­ка, рав­но­ка­наль­ное уг­ло­вое прес­со­ва­ние).

Пре­дел те­ку­че­сти и диа­грам­ма де­фор­ма­ции $σ(ε)$ за­ви­сят от сход­ст­вен­ной (го­мо­ло­ги­че­ской) темп-ры $T/T_{пл}$ – от­но­шения темп-ры де­фор­ма­ции $T$ к темп-ре плав­ле­ния $T_{пл}$. Ни­же темп-ры рек­ри­стал­ли­за­ции (ок. 0,4$T_{пл}$) темп-ра и ско­рость де­фор­ма­ции ма­ло из­ме­ня­ют диа­грам­му де­фор­ма­ции. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ют ме­тал­лы с объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ку­бич. ре­шёт­кой – Fe, Cr, Mo, W и др., где с ох­ла­ж­де­ни­ем от 0,3$T_{пл}$ до 4–77 К пре­дел те­ку­че­сти воз­рас­та­ет в неск. раз. В та­ких ме­тал­лах про­яв­ля­ет­ся хлад­но­лом­кость – рез­кое па­де­ние пла­стич­но­сти ни­же не­ко­то­рой темп-ры (по­ро­га хлад­но­лом­ко­сти).

Вы­ше темп-ры рек­ри­стал­ли­за­ции пре­дел те­ку­че­сти лю­бых кри­стал­лов сни­жа­ет­ся (в неск. раз при по­вы­ше­нии темп-ры до $T_{пл}$), уп­роч­не­ние умень­ша­ет­ся, де­фор­ма­ция до раз­ру­ше­ния обыч­но воз­рас­та­ет и про­яв­ля­ет­ся пол­зу­честь – мед­лен­ное не­пре­рыв­ное уд­ли­не­ние под не­из­мен­ной на­груз­кой. Пер­во­при­чи­ной яв­ля­ет­ся раз­у­проч­не­ние: дис­ло­ка­ции про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка вза­им­но унич­то­жа­ют­ся, ко­гда по­лу­ча­ют для пе­ре­ме­ще­ний но­вые сте­пе­ни сво­бо­ды (с уча­сти­ем тер­ми­че­ски ак­ти­ви­руе­мо­го по­гло­ще­ния – ис­пус­ка­ния ва­кан­сий).

В не­ко­то­ром уз­ком диа­па­зо­не «темп-ра – на­пря­же­ние – ско­рость де­фор­ма­ции» мож­но точ­но урав­но­ве­сить раз­мно­же­ние и ан­ни­ги­ля­цию дис­ло­ка­ций, а так­же вы­тяж­ку и ок­руг­ле­ние кон­ту­ров зер­на за счёт ми­гра­ции гра­ниц. Так реа­ли­зу­ет­ся сверх­пла­стич­ность – мед­лен­ное те­че­ние по­ли­кри­стал­ла до уд­ли­не­ний ⩾1000% при не­из­мен­ной дис­ло­ка­ци­он­ной и зё­рен­ной струк­ту­ре, без уп­роч­не­ния.

Для раз­ных ус­ло­вий ра­бо­ты ка­ж­до­го ма­те­риа­ла есть свои оп­ти­маль­ные со­че­та­ния проч­но­сти и пла­стич­но­сти. Пла­стич­ность и диа­грам­ма де­фор­ма­ции кри­стал­лич. ма­те­риа­лов оп­ре­де­ля­ют­ся их хи­мич. и фа­зо­вым со­ста­вом, зё­рен­ной и дис­ло­ка­ци­он­ной струк­ту­рой. Для воз­дей­ст­вия на них ис­поль­зу­ют мно­го­об­раз­ные приё­мы ле­ги­ро­ва­ния, тер­ми­че­ской об­ра­бот­ки и тер­мо­ме­ха­ни­че­ской об­ра­бот­ки.