Введение в физические свойства твёрдых тел

1. Введение в физические свойства твёрдых тел Лекция 3. Механические свойства твёрдых тел. Пластическая деформация

2. Структура раздела • Суть явления пластической деформации • Основные понятия • Механизмы пластичности • Дислокационная структура т.т. • Движение дислокаций • Образование дислокаций • Поля напряжений дислокаций • Взаимодействие дислокаций

3. Суть явления • Кривая зависимости напряжения от деформации (кривая деформации) • У – область упругой деформации • I – область лёгкого скольжения • II – область упрочнения (наклёп) • III – область разупрочнения

4. Суть явления • Стадийность пластического течения обусловлена изменениями в дислокационной структуре • Клубковая структура • Ячеистая структура

5. Основные понятия • Предел упругости – напряжение, при котором заканчивается стадия упругой деформации • Предел текучести – напряжение, при котором резко меняется наклон кривой деформации. Соответствует началу пластической деформации • Коэффициент упрочнения (модуль пластичности) – тангенс угла наклона кривой деформации

6. до деформации после деформации Суть явления Скольжение – это трансляция одной части кристалла по отношению к другой без изменения объёма. Трансляция происходит по определенной плоскости (плоскость скольжения) и в определенном кристаллографическом направлении (направление скольжения).

7. Суть явления Скольжение обеспечивает необратимые деформации сдвига, растяжения и сжатия. L Lo деформация сдвига деформация растяжения, сжатия

8. F t = F cosb/(S/cosa)=(F/S) cosb cosa S a + b = 90o направлениескольжения N tmax=0.5 s, при a=b=45o a b S’ Скольжение происходит только под действием тангенциальных (касательных) напряжений. Скольжение начинается, когда tпревышает критическое значение, характерное для данного вещества и данной системы скольжения. Это закон постоянства критического скалывающего напряжения (закон Шмида и Боаса). Система скольжения = плоскость скольжение + направление скольжения s = F/S Скалывающее напряжение

9. b Суть явления • Оценка критическогонапряжения для скольжения • = t(max)∙sin(2πx/b), а при малых х • t = t(max)∙2πx/b • = G∙x/b – закон Гука, G – модуль сдвига, • х/b – деформация • t(max)∙2πx/b= G∙x/b, t(max)=G/2π • Экспериментальные значения t(max)в 104 – 105 раз меньше

10. Механизмы пластичности • Диффузионные • Движение точечных дефектов • При неоднородном напряжении (эффект Горского) • При однородном напряжении (диффузионная ползучесть, диффузионное течение) • Переползание краевых дислокаций (дислокационная ползучесть) • Дислокационный

11. 1 Скольжение дислокаций 2 Дислокационная ползучесть 3 Диффузионная ползучесть Механизмы пластичности L Lo

12. Механизмы пластичности

13. Дислокационный механизм пластичности Поляни, Орован, Тейлор – 1934 г.

14. краевая винтовая b b сдвиг сдвиг EE’ b b // SS’ смешанная b сдвиг Дислокации

15. Вектор Бюргерса • Вектор Бюргерса – кратен вектору трансляции кристаллической структуры (решётки Бравэ) • Вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен линии дислокации • Вектор Бюргерса винтовой дислокации параллелен линии дислокации • Вектор Бюргерса любой дислокации можно представить как сумму краевой и винтовой компонент • Вектор Бюргерса имеет постоянное значение и не меняется вдоль линии дислокации

16. b2 b b2 b b1 b1 b = b1 + b2 Вектор Бюргерса • При разветвлении дислокационной линии величина вектора Бюргерса не меняется

17. Энергия дислокации • G - модуль сдвига, • b- вектор Бюргерса, • -коэффициент Пуассона, R – радиус зоны, ro – радиус ядра дислокации ro~ 3b Е – энергия ядра дислокации

18. Энергия дислокации • Вклад энергии ядра дислокации в общую энергию близок к 10 %. Таким образом, основной вклад в энергию дислокаций вносит поле дальнодействующих упругих напряжений. • Энергия дислокации длиной в один параметр решётки значительна E ~ 0.5Gb3~3 эВ. Дислокация является неравновесным дефектом и не может возникнуть самопроизвольно в результате термических флуктуаций как вакансия.

19. b Скольжение дислокаций Скольжение дислокаций – процесс периодического ослабления и восстановления связей в ядре дислокации. Плоскость скольжения должна содержать линию дислокациии вектор Бюргерса.

20. Барьер Пайерлса – Набарро определяет сопротивление кристаллической решётки скольжению. q=1 для винтовой дислокации, q=1-nдля краевой дислокации Чем меньше вектор Бюргерса bи больше межплоскостное расстояниеd, тем меньше барьер Пайерлса – Набарро. d/b=1 tПН=4 10-3G d/b=1.5 tПН=1.5 10-4G Скольжение дислокаций

21. L b Краевая дислокация имеет единственную плоскость скольжения. N=L×b b L Любая плоскость, содержащая линию дислокации, является плоскостью скольжения для винтовой дислокации. Скольжение дислокаций

22. Скольжение дислокаций • Наблюдаемые системы скольжения • Дислокация должна иметь наименьший вектор Бюргерса т.к. E ~Gb2. b – минимальный вектор трансляции • Плоскость скольжения должна иметь максимальное значение межплоскостного расстояния - d.Плоскости скольжения – плоскости, имеющие максимальную плотность узлов решётки

23. Минимальный вектор трансляции -а/2 [110] Плоскости с максимальной плотностью узлов и максимальным d - {111} ГЦК металлы В ГЦК решётке 4 различных плоскости {111}, в каждой содержится 3 вектора а/2 [110], поэтому всего 4х3=12 систем скольжения. Скольжение дислокаций

24. Минимальный вектор трансляции -а/2 [111] Плоскости с максимальной плотностью узлов и максимальным d - {110} ОЦК металлы В ОЦК решётке 6 различных плоскости {110}, в каждой содержится 2 вектора а/2 [111], поэтому всего 6х2=12 систем скольжения. Скольжение дислокаций

25. Минимальный вектор трансляции -а [100] Плоскости с максимальной плотностью узлов и максимальным d - {100}, но эти плоскости состоят из ионов одного знака, скольжение происходит по {110}. CsCl В ГЦК решётке 6 различных плоскости {110}, в каждой содержится 1 вектора [001], поэтому всего 6х1=6 систем скольжения. Скольжение дислокаций

26. Минимальный вектор трансляции –а/2 [110] Плоскости с максимальной плотностью узлов и максимальным d - {111}, но эти плоскости состоят из ионов одного знака, скольжение происходит по {110}. NaCl В ГЦК решётке 6 различных плоскости {110}, в каждой содержится 1 вектора [110], поэтому всего 6х1=6 систем скольжения. Скольжение дислокаций

27. Скорость скольжения дислокаций

28. Переползание дислокации вакансия Переползание дислокаций Переползание дислокаций – это движение краевой дислокации в направлении перпендикулярном как линии дислокации, так и вектору Бюргерса. В результате переползания дислокации происходит образование или исчезновение точечных дефектов (вакансий или межузельных атомов). Дислокация – сток вакансий

29. Переползание дислокации вакансия Переползание дислокаций Дислокация – источник вакансий

30. Заключение • При относительно низких приложенных напряжениях у многих материалов наблюдается заметная необратимая деформация • При нагружении образца осуществляется скольжение • Сравнение экспериментальных данных и теоретических оценок приводит к выводу о существовании дислокационного механизма пластичности • Кроме дислокационного имеются диффузионные механизмы пластичности

31. Заключение • Неравновесные концентрации дислокаций возникают в результате пластической деформации т.т. • Имеются определённые направления скольжения вдоль некоторых кристаллографических плоскостей. Эти направления и плоскости составляют системы скольжения • Движение дислокаций может осуществляться скольжением и переползанием

32. Контрольные вопросы • В чём заключается явление пластической деформации? • Какие области выделяют на кривой деформации? • Что такое предел упругости? • Что такое предел текучести? • Что такое модуль пластичности? • Что такое скольжение?

33. Контрольные вопросы • Что такое скалывающее напряжение? • Назовите механизмы пластической деформации • Как температура влияет на эффективность различных механизмов пластической деформации? • Чем определяется энергия дислокации? Зависит ли упругая энергия дислокации от величины вектора Бюргерса?

34. Контрольные вопросы • Какова величина энергии дислокации? Каков вклад в энергию ядра дислокации? • Сколько плоскостей скольжения имеют краевая и винтовая дислокации? Как они расположены? • Что такое система скольжения? Каким принципам она должна удовлетворять? • Какие системы скольжения наблюдаются в ГЦК металлах?

35. Контрольные вопросы • Какие системы скольжения наблюдаются в ОЦК металлах? • Как зависит скорость движения дислокаций от приложенного напряжения? • Что такое переползание дислокации? Могут ли переползать винтовые дислокации? Как переползание дислокаций влияет на концентрацию точечных дефектов в кристалле?

36. Конец лекции