Пластическая деформация монокристалла может происходить в основном двумя путями: скольжением и двойникованием.
Скольжение представляет собой параллельное смещение тонких слоев монокристалла относительно друг друга. Движение охватывает ряд плоскостей или тончайших слоев (полосы скольжения), в промежутках между которыми элементы пластической деформации отсутствуют. Экспериментально установлено, что полосы скольжения отстоят одна от другой в среднем на расстоянии около 1 мкм, в то время как расстояния между соседними атомными плоскостями выражаются цифрами порядка 1«10"4 мкм. Характер деформации монокристалла путем скольжения виден (рис. 1.7) на образце из монокристалла сплава меди и алюминия, подвергнутом растяжению [561.
Скольжение в монокристаллах происходит по определенным кристаллографическим плоскостям, которые называются плоскостями скольжения. Обычно плоскостями., скольжения являются плоскости с наибольшей плотностью размещения атомов, а направлениями скольжения являются те направления, по которым межатомные расстояния имеют минимальную величину, Например, в металлах с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой плоскостями скольжения обычно являются плоскости октаэдра типа, а направлениями скольжения направления типа.
В металлах с гексагональной кристаллической решеткой плоскостью скольжения обычно бывает плоскость базиса типа (0001), а направлениями скольжения — направления, совпадающие с диагональю шестиугольника (основания этой ячейки) типа [1001. В металле с объемноцентрированной кубической решеткой скольжение может осуществляться по плоскостям нескольких типов (112), (123) и (110), так как плотность расположения атомов в них различается незначительно.
На возможность смещения атомов по каким-либо кристаллическим плоскостям значительное влияние оказывает температура. Повышение температуры, а следовательно, и амплитуды тепловых колебаний атомов в ряде случаев приводит к тому, что процесс скольжения может происходить по другим плоскостям, отличным от тех, по которым происходит скольжение при комнатной температуре. Например, в металлах с гексагональной плотно упакованной решеткой при комнатной температуре существует одна плоскость скольжения — плоскость базиса (0001), а при повышенной температуре дополнительно появляется возможность скольжения по плоскостям типа (10ll) и (1012).
Двойникование представляет собой смещение атомов, расположенных в плоскостях, параллельных некоторой плоскости, называемой плоскостью двойникования, на расстояния, пропорциональные расстоянию этих плоскостей от плоскости двойникования (на рис. 1.8 штриховыми линиями показан двойник, получившийся в результате деформации), причем ребра кристаллической решетки, первоначально наклоненные к плоскости двойникования под углом а < 90°, поворачиваются на угол, равный 180° - 2а. Решетка части кристалла, получившей деформацию двойникованием, является зеркальным изображением решетки недеформированной части кристалла относительно плоскости двойнико(двойником), и взаимное расположение атомов в двойнике аналогично расположению их в недеформированном металле. Двойникование сравнительно редко происходит при статическом нагружении и значительно чаще при деформировании ударом. Двойникование может возникать не только в результате воздействия на деформируемое тело внешних сил, но и в результате отжига после пластической деформации. Такое явление наблюдается, в частности, в меди, латуни и некоторых других металлах с гранецентрированной кубической решеткой. Двойникование может сопутствовать деформации скольжением. При деформации скольжением двойникование скачкообразно уменьшает усилие, необходимое для деформирования. Плоскости двойникования обычно совпадают с плоскостями скольжения. Для металлов с гранецентрированной кубической решеткой плоскостью двойникования обычно является плоскость <111), для металлов с объемноцентрированной кубической решеткой — плоскость (112) и для металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой—плоскость (1012).
У металлов процесс пластической деформации в основном осуществляется путем скольжения.
Многочисленные исследования показали, что сдвигающее (касательное) напряжение, необходимое для начала пластической деформации скольжения для данного металла, при данной температуре . и скорости деформации есть величина постоянная, не зависящая от ориентировки плоскостей скольжения относительно действующих на тело сил. Так, например, если растягивать усилием Р образец из монокристалла с площадью поперечного сечения F, у которого нормаль к плоскости скольжения наклонена к направлению действующей силы под: углом <р, а направление скольжения под углом \ (рис. 1.9), то величину сдвигающего напряжения т можно найти по формуле где Flcos ф — площадь сечения образца плоскостью скольжения. На рис. 1.10 приведена зависимость PIF = / (cos ф cos А,) [1181, полученная расчетом по формуле (1.1), в предположении, что т = const; точками показаны результаты опытов.
График (рис. 1.10) также показывает, что величина предела текучести монокристалла (нормального напряжения о = Р IF, соответствующего началу пластической деформации) для каждого металла существенно зависит от ориентировки плоскостей скольжения относительно направления действия сил, имея минимум при углах ф = к = 45°.
Подобные опыты показали, что по мере увеличения пластической деформации величина сдвигающего напряжения т, необходимого для дальнейшего деформирования образца, увеличивается.
Многочисленные исследования показали также, что процесс скольжения нельзя рассматривать как одновременное смещение всех атомов одной плоскости относительно атомов соседней.
По современным воззрениям процесс скольжения осуществляется путем последовательного смещения отдельных групп атомов. Возможность относительного смещения в процессе деформации лишь части атомов, расположенных в параллельных кристаллографических плоскостях, обусловливается наличием в металле нарушений правильного кристаллического строения. Нарушения правильности кристаллического строения приводят к тому, что в отдельных участках кристаллической решетки атомы в недеформированном металле смещены из положений устойчивого равновесия с минимумом потенциальной энергии. Наличие таких смещений приводит к тому, что для перемещения отдельных групп атомов, уже смещенных из положения равновесия в новые положения равновесия, могут потребоваться меньшие сдвигающие напряжения, чем при отсутствии таких смещений.
В настоящее время значительное распространение получила теория, объясняющая процесс скольжения перемещением в плоскости скольжения отдельных несовершенств пространственной решетки, так называемых дислокаций.
Заметим, однако, что теория дислокаций не является единственной, объясняющей механизм скольжения. Например, Я. И. Френкель и Т. А. Конторова считают, что скольжение может происходить и при отсутствии местных нарушений правильности кристаллического строения путем постепенного перехода групп атомов кристаллической решетки в новые положения равновесия [37]. Такая возможность обеспечивается тем, что каждый атом смещающейся цепочки при условии неодинакового по цепочке смещения, вызванного действием внешних сил, и при подвижности атомов на близлежащих параллельных плоскостях, при достаточной величине смещения, может занять новое положение равновесия.