Дислокации и пластичность Пластичность очень важное свойство

Дислокации и пластичность Пластичность – очень важное свойство материалов. Количественно оценивается по величине деформации , e при увеличении напряжений до момента разрушения образца. Материалы, разрушающиеся после малых пластических деформаций – хрупкие. При этом напряжение может быть большим, т. е. материал прочен, но хрупок. Прочность и хрупкость совершенно разные свойства материала. От конструкционных материалов при эксплуатации требуется сочетание прочности и пластичности вследствие неизбежных динамических нагрузок. Также пластичность необходима в процессе обработки материалов (прокатка, ковка, штамповка, резание). Хрупкие материалы данными технологиями не обрабатываются

Методы механических испытаний

Образец в захватах

Вот какие еще бывают образцы для исследований. .

Усталостные испытания p = 10 -3 10 000 cycles 1 -2 (Z 2 – Z 1) = 33 nm 15 000 cycles 1 -2 (Z 2 – Z 1) = 45 nm

Усталость материала: наблюдение Смещения поверхности Микроскопические изменения Видна на поверхности ® локализация пластической деформации Видна в 1 2 e объеме 3 d ® полосы скольжения 20 µm cross-section ЭМП 200 nm

Как изучают деформацию образцов? Нелинейный характер кривой растяжения. «шейка» -признак вязкого разрушения

Прочность способность материала сопротивляться деформации и разрушению Предел прочности s. B – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующее процессу разрушения материала Предел пропорциональности sпц sк sт s 0. 2 s. В Напряжение, s конструкционные стали - 600. . . 3000 н/мм 2, алюминиевые сплавы - 200. . . 900 н/мм 2, титановые сплавы - 600. . . 1600 н/мм 2, композиционные материалы 300. . . 20000 н/мм 2. Предел упругости sуп Предел текчести sт sуп sпц Предел текчести условный s 0. 2 Деформация Dl Напряжение разрушения sк 9

Предел упругости — максимальная величина механического напряжения, при которой деформация данного материала остаётся упругой, то есть полностью исчезает после снятия нагрузки Предел текучести — механическое напряжение σт, дальше которого упругая деформация тела (исчезающая после снятия напряжения) переходит в пластическую (необратимую, когда геометрия тела не восстанавливается после снятия деформирующего напряжения). Предел текучести соответствует площадке текучести диаграммы деформирования материала. В случае, если такая площадка отсутствует, вместо σт используется напряжение σ0, 2 (читается: сигма ноль-два), которое соответствует напряжению, при котором остаточные деформации (пластические деформации) составляют 0, 2 % от длины испытываемого образца.

Дислокации и пластичность F Исследование материалов на растяжение Напряжение = F / S упругая Пластичесая деформация Упругая деформация Пластическая деформация: Движение дислокаций Другие механизмы пластичности: - диффузия (медленный процесс) - Фазовые превращения s theory >> s experimental b

Скольжение краевой дислокации Сдвиговое напряжение Ступенька на поверхности

Движение дислокаций и кристаллография Плоскость скольжения Кристаллы характеризуются : Система скольжения: - кристаллографической структурой, Направление скольжения (критическое напряжение сдвига) - системой скольжения После деформации Пайерлсовские силы Ниже нет движения дислокаций

Вектор Бюргерса в различных решетках В общем случае Для примитивной решетки ОЦК ГПУ

Системы скольжения Скольжение в кристаллах происходит по наиболее плотноупакованным плоскостям в наиболее плотноупакованных направлениях. Плоскость с направлениями образует систему скольжения.

Полосы скольжения

Закон Шмида Пусть F’= F/cos f и x - система скольжения монокристалла, Pt= Pcos a – касательная составляющая силы. Тогда приведенное к данной системе скольжения напряжение t=(P/F) cos a cos f = cos a cos f «Скольжение в данной системе начинается, когда касательное напряжение, приведенное к этой системе, достигнет критического значения»

Вначале думали что можно объяснить деформацию исходными дислокациями. (~108 1/cм 2), но…Жизненный цикл материала под нагрузкой: рождение дислокаций(выдувание пузырей-см. Рис. 10), рост их плотности

Источники дислокаций При деформации плотность дислокаций в кристаллах способна возрастать на несколько порядков (от 102 до 1012 1/см 2). источник дислокаций был предложен Франком и Ридом Постепенное выгибание дислокации может происходить только при непрерывно возрастающем напряжении, которое достигает максимума, когда дислокация принимает форму полуокружности. При этом критическое напряжение

Источники дислокаций При внешних механических напряжениях конфигурация становится нестабильной и дислокация расширяется самопроизвольно, последовательно занимая положения 2, 3, 4. В положении 4 части дислокационной петли С и С/ имеют винтовые компоненты противоположного знака, т. е. они движутся навстречу другу и взаимно уничтожаются. В результате происходит разделение дислокации на внешнюю и внутреннюю (5). Теоретически число дислокаций, возникающих от источника Франка−Рида, может быть бесконечным, но на практике это число увеличивается до тех пор, пока взаимодействие упругих полей дислокаций не сбалансирует критическое напряжение сдвига. После этого источник становится неактивным.

Дислокации и пластическая деформация Источник Франка-Рида Винтовое смещение

Граница зерна – источник дислокаций Эмиссия дислокаций из границы зерна наблюдаемая в просвечивающем электронном микроскопе. (Courtesy of L. E. Murr. )

Энергия дислокации Работа дислокации A=Pb, P – сила, P=t. F=tlr. t меняется от 0 до t, tср= t/2. Тогда работа на участке dr d. A= (t/2)lbr. t=(G/2 p)g, g=tga=b/r, t=Gb/2 pr Тогда полная работа или энергия образования дислокации

В бесконечно большом монокристалле Eд→∞, т. к. r 1 →∞. В реальных поликристаллах r 0~10 нм, r 1 не более размера зерна (~1 -1000 мкм). Тогда множитель a=(1/4 p)ln(r 1/r 0) ~ 0, 5 -1. Окончательно энергия образования дислокации: Линейное натяжение дислокации – энергия единицы ее длины

Энергия дислокации q Дислокация имеет энергию деформации q E на единицу длинны q Краевая → сжимающие и растягивающие деформации q Винтовая → сдвиговые деформациии Упругая Энергия дислокации Неупругая (ядро) Энергия дислокации / ед. длинны G → ( ) модуль сдвига b → |b| E ~E/10

Дислокации должны иметь как можно меньшее значение b полные Дислокации (в векторах трансляции) частичные b → полный вектор трансляции b → часть от Вектора трансляций

Диссоциация дислокаций Реакция: 2 b → b + b Изменение в энергии: G(2 b)2/2 → 2[G(b)2/2] G(b)2 Такая реакция предпочтительна

Дефекты упаковки Плотнейшая упаковка атомов Дефекты упаковки в ГПУ и ГЦК структурах

Расщепление дислокаций Расщепление дислокации в ГЦК кристалле в плоскости (111) Полные и частичные вектора Бюргерса Парная дислокация в упорядоченном сплаве

Crystallographic plane stacking in FCC crystals C B (111) A (110) C B A Planes A, B and C are not equivalent with respect to translations in the (111) directions C A B (111)

(111) A

(111) B

(111) C

a b (110)

a/2[110] a b (110)

a b (110)

a b (110)

a (110)

• Для создания полной дислокации необходимо удалить 2 (110) плоскости • В общем случае дислокации в ГЦК кристаллах диссоциируют на частичные дислокации Шокли • С дефектом упаковки между ними

Переползание дислокации

2. Переползание. Происходит вследствие диффузии атомов и вакансий из объема кристалла к краю экстраплоскости. Движение перпендикулярно плоскости скольжения, образуются устойчивые пороги, которые также являются краевыми дислокациями. Движение неконсервативное, происходит при высоких температурах

консервативное (скольжение) Движение дислокаций по плоскости скольжения Движение краевых дислокаций неконсервативное (переползание) Движение дислокаций плоскости скольжения q For edge dislocation: as b t → they define a plane → the slip plane q Climb involves addition or subtraction of a row of atoms below the half plane ► +ve climb = climb up → removal of a plane of atoms ► ve climb = climb down → addition of a plane of atoms

Переползание краевой дислокации Переползание в положительном направлении Убирается атомный ряд Переползание в отрицательном направлении Добавляется атомный ряд

Различные способы движения дислокаций Консервативное движение : скольжение Неконсервативное движение : переползание (поглощение вакансий) или (эмиссия вакансий)

Связь между дислокациями и пластической деформацией • Перемещение дислокации на одну трансляцию решетки – элементарный акт пластической деформации • Напряжение необходимое для скольжение дислокации – критическое напряжение для начала пластического течения материала • Любой фактор препятствующий движению дислокаций в материале увеличивает предел текучести

Препятствия, которые может встретить дислокация на своем пути • • • Примесные атомы Упругие поля других дислокаций Блокировка Границы зерен, субзерен, доменов Границы фаз

Схема изменения микроструктуры материала (при нагреве): а - исходный материал; 6 - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г, д - стадии собирательной рекристаллизации Химия твердого тела лекция 9 Возврат и рекристаллизация 61