Введение

Значительная часть всех конструкционных материалов являются металлами или имеют их в своём химическом составе. Механические свойства металлов могут быть очень разнообразными, чем и обосновывается их широкое применение на практике. Ещё многообразнее методы, с помощью которых достигаются желаемые свойства материалов, однако их можно разделить на 2 основных класса: методы, связанные с изменением химического состава материалов, и методы, нацеленные на модификацию их внутренней структуры. Стоит иметь ввиду, что изменение химического состава может приводить к изменениям и в структуре, таким как выделение или изменение концентраций фаз, каждая из которых имеет свои индивидуальные характеристики.

Кристаллическая структура металлов

Атомы металлов образуют друг с другом металлическую связь, суть которой заключается в Кулоновском взаимодействии ионов и свободных электронов. Поскольку свободные электроны двигаются в объёме металла хаотическим образом, образуя однородный электронный газ, металлическая связь оказывается ненаправленной. То есть силы притяжения и отталкивания между ионами металлов сферически симметричны. В связи с этим атомы металлов в кристалле стремятся образовать собой плотную упаковку. Многие чистые металлы (без примесей) имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) или объёмно-центрированную кубическую (ОЦК) решётку. Однако ОЦК при этом не является плотноупакованной, но всё-равно имеет место быть. Например, в сплаве Fe-C, при не больших концентрациях углерода, с ростом температуры ОЦК железо терпит фазовый переход в ГЦК железо. Посмотрев на кристаллическую структуру металла, можно заметить, что атомы в ней выстраиваются в плоскости (кристаллографические плоскости), лежащие друг на друге. Решётки разных металлов характеризуются параметрами решётки - длинами рёбер решётки, на рисунке они обозначены , и. Также на рисунке показаны кристаллографические плоскости примитивной кубической решётки (у примитивной кубической решётки атомы находятся только в вершинах куба). Такие плоскости обозначаются индексами Миллера в круглых скобках. Чаще всего это 3 числа, которые можно интерпретировать как координаты вектора, сонаправленного с нормалью к плоскости (Все параллельные плоскости обозначаются одними и теми же индексами). На рисунке показаны кристаллографические плоскости примитивной кубической решётки (атомы находятся только в узлах куба):

Кристаллические решётки не связаны напрямую с металлами, они характерны также и для многих других материалов, рассмотрение которых здесь опускается. Более того, при определённых условиях можно добиться аморфизации металла. То есть структура металла не может быть описана кристалической решёткой, так как пропадает дальний порядок (упорядоченность атомов на расстояниях, много больших параметра решётки).

Деформация и кривая течения

До приложения напряжения (нагрузки) все атомы находятся в положении равновесия (опустим тот факт, что на самом деле они колеблются около этого равновесия). При наложении напряжения появляются, соответственно, нескомпенсированные силы, которые приводят атомы в движение, пока силы притяжения между атомами не скомпенсируют внешнее напряжение. То есть внешнее напряжение немного смещает положение равновесия вдоль внешнего напряжения. Это приводит изменениям расстояний между плоскостями, которые расположены не параллельно внешнему напряжению. На рисунке схематически показано, как меняется потенциальная энергия атомов, под однородным внешним напряжением:

До тех пор, пока приложенное напряжение не привело к структурным перестройкам в материале, и после разгрузки все атомы возвращаются в исходное положение равновесия, деформация, которая была вызвана этим внешним напряжением, является упругой. Упругая деформация описывается законом Гука:

где, - модуль Юнга, - относительная деформация, - внешнее напряжение.

При наложении достаточно высоких напряжений в материале начинаются структурные перестройки - одна кристаллографическая плоскость проскальзывает относительно другой. Такие называются плоскостями скольжения. При чём проскальзывание происходит не сразу по всей плоскости скольжения, а путём скольжения так называемых дислокаций. Дислокации - линейные дефекты в структуре материала, которые характеризуются вектором Бюргерса - вектор сонаправленный с направлением смещения одной из кристаллографических плоскостей относительно другой. Они бывают краевые, когда вектор Бюргеса перпендикулярен линии дислокации, винтовые - когда параллелен, и смешанные - в остальных случаях. На рисунках наглядно показаны краевая - слева и винтовая - справа дислокации в примитивной кубической решётке. Вектора Бюргерса генерируемых дислокаций, вообще говоря, зависят от типа кристаллической решётки (ГЦК, ОЦК или другие).

При снятии напряжения, сгенерированные дислокация остаются в структуре, а материал не возвращается сам по себе в исходное положение. Такая деформация называется пластической, она образуется путём генерации и скольжения дислокаций. Дислокации, образующиеся в структуре, существенным образом меняют механические свойства материала. Как именно появляются и ведут себя дислокации в структуре описывает теория дислокаций. Эта очень большая теория, которая заслуживает отдельного детального рассмотрения. Здесь лишь кратко перечислим основные аспекты поведения дислокаций. В процессе деформации дислокации накапливаются в материале и взаимодействуют друг с другом посредством упругих напряжений, которые они создают, если дислокации находятся на относительно большом расстоянии. На рисунке выше были показаны так называемые полные дислокации, которые, вообще говоря, могут расщепиться на частичные дислокации, образуя дефекты упаковки - плоские дефекты. Либо, наоборот, две дислокации могут слиться друг с другом (Как частичные - вектоора Бюргерса складываются, так и полные - в дислокацию с удвоенным вектором Бюргерса). Процессы объединения и расщепления дислокаций называются дислокационными реакциями, они сильно зависят от природы материала, типа его решётки и микроструктуры.

Когда начинают только генерироваться дислокации, процесс деформации начинает идти легче. Эта стадия деформации называется течением, а напряжение, после которого начинается пластическая деформация - генерация дислокаций называется напряжением течения. Но в процессе накопления дислокаций, как уже было сказано, они начинают взаимодействовать друг с другом и для генерации всё большего количества дислокаций необходимо преодолевать всё большее напряжение, которые генерируют уже существующие дислокации (то есть материал упрочняется). Отдельно стоит отметить, что степень этого упрочнения сильно зависит от подвижности и типа генерируемых дислокаций, что в свою очередь зависит от природы материала.

Зависимость приложенного напряжения от деформации называется кривой текучести и, в случае растяжения, обычно выглядит следующим образом:

Здесь видны все 3 основные стадии деформации (растяжения в данном случае):

1. Упругая деформация - до точки A.

2. Начало пластической деформации (течение) - участок B-C

3. Упрочнение материала из-за накопления дислокаций - участок C-D

Обычно коэффициент упрочнения обычно примерно в 10 раз выше на участке C-D, чем на участке O-A: .

Последующая деформация приводит к разрушению материала. Заметим, что существуют материалы, которые могут разрушаться до достяжения пластической деформации (хрупкое разрушение).

Заключение

Резюмируя, деформация в металлах разделяется в общем случае на упругую и пластическую. Упругая деформация обусловлена химическими связями между атомами, пластическая - образованием дислокаций в микроструктуре металлов. Процессы генераций дислокаций и их взаимодействия во многом определяют способность материала к деформации. Стоит заметить, что на эти процессы могут существенно повлиять множество факторов, которые не обсуждались в данной статье. Также наряду с дислокациями существуют и другие механизмы деформации.