В материаловедении скольжение — это большое смещение одной части кристалла относительно другой части вдоль кристаллографических плоскостей и направлений. [1] Скольжение происходит при прохождении дислокаций по плотно упакованным плоскостям, которые представляют собой плоскости, содержащие наибольшее число атомов на площадь и в плотно упакованных направлениях ( наибольшее количество атомов на длину). Плотно упакованные плоскости известны как плоскости скольжения или скольжения . Система скольжения описывает набор симметрично идентичных плоскостей скольжения и связанное с ними семейство направлений скольжения , для которых движение дислокации может легко происходить и приводить к пластической деформации . Величина и направление скольжения представлены вектором Бюргерса , b .
Внешняя сила заставляет части кристаллической решетки скользить друг по другу, изменяя геометрию материала. Для начала скольжения требуется критическое разрешенное напряжение сдвига . [2]
Скольжение в гранецентрированных кубических (ГЦК) кристаллах происходит вдоль плотноупакованной плоскости . В частности, плоскость скольжения имеет тип {111} , а направление — тип < 1 10>. На диаграмме справа конкретная плоскость и направление — (111) и [ 1 10] соответственно.
Учитывая перестановки типов плоскостей скольжения и типов направлений, кристаллы ГЦК имеют 12 систем скольжения. [3] В решетке ГЦК норму вектора Бюргерса b можно рассчитать с помощью следующего уравнения: [4]
Где a — постоянная решетки элементарной ячейки.
Скольжение в объемно-центрированных кубических (ОЦК) кристаллах также происходит вдоль плоскости кратчайшего вектора Бюргерса ; однако, в отличие от ГЦК, в кристаллической структуре ОЦК нет по-настоящему плотноупакованных плоскостей. Таким образом, система скольжения в ОЦК требует нагревания для активации.
Некоторые bcc материалы (например, α-Fe) могут содержать до 48 систем скольжения. Существует шесть плоскостей скольжения типа {110}, каждая с двумя направлениями <111> (12 систем). Существует 24 плоскости {123} и 12 плоскостей {112}, каждая с одним направлением <111> (36 систем, всего 48). Хотя количество возможных систем скольжения в bcc кристаллах намного выше, чем в fcc кристаллах, пластичность не обязательно выше из-за повышенных напряжений трения решетки . [3] Хотя плоскости {123} и {112} не совсем идентичны по энергии активации {110}, они настолько близки по энергии, что для всех намерений и целей их можно рассматривать как идентичные. На диаграмме справа конкретная плоскость скольжения и направление — (110) и [ 1 11] соответственно. [4]
Скольжение в гексагональных плотноупакованных (ГПУ) металлах гораздо более ограничено, чем в кристаллических структурах ОЦК и ГЦК. Обычно кристаллические структуры ГПУ допускают скольжение по плотноупакованным базальным плоскостям {0001} вдоль направлений <11 2 0>. Активация других плоскостей скольжения зависит от различных параметров, например, соотношения c/a. Поскольку на базальных плоскостях есть только 2 независимые системы скольжения, для произвольной пластической деформации необходимо активировать дополнительные системы скольжения или двойников. Обычно это требует гораздо более высокого разрешенного напряжения сдвига и может привести к хрупкому поведению некоторых ГПУ-поликристаллов. Однако другие ГПУ-материалы, такие как чистый титан, демонстрируют большую пластичность. [6]
Кадмий , цинк , магний , титан и бериллий имеют плоскость скольжения в {0001} и направление скольжения <11 2 0>. Это создает в общей сложности три системы скольжения, в зависимости от ориентации. Возможны и другие комбинации. [7]
В кристаллах существует два типа дислокаций, которые могут вызывать скольжение — краевые дислокации и винтовые дислокации. Краевые дислокации имеют направление вектора Бюргерса, перпендикулярное линии дислокации, в то время как винтовые дислокации имеют направление вектора Бюргерса, параллельное линии дислокации. Тип образующихся дислокаций во многом зависит от направления приложенного напряжения, температуры и других факторов. Винтовые дислокации могут легко перекрестно скользить из одной плоскости в другую, если другая плоскость скольжения содержит направление вектора Бюргерса. [2]
Образование полос скольжения указывает на концентрированное однонаправленное скольжение на определенных плоскостях, вызывающее концентрацию напряжений. Обычно полосы скольжения вызывают поверхностные ступеньки (т. е. шероховатость из-за постоянных полос скольжения во время усталости ) и концентрацию напряжений, которая может быть местом зарождения трещин. Полосы скольжения распространяются до тех пор, пока не столкнутся с границей, и генерируемое напряжение от скопления дислокаций на этой границе либо остановит, либо передаст рабочее скольжение. [9] [10]
Образование полос скольжения в циклических условиях рассматривается как устойчивые полосы скольжения (PSB), тогда как образование в монотонных условиях рассматривается как дислокационные плоские массивы (или просто полосы скольжения). [11] Полосы скольжения можно просто рассматривать как граничное скольжение из-за скольжения дислокаций, которое лишено (сложности) высокой локализации пластической деформации PSB, проявляющейся в выдавливании в виде языка и ленты. И, где PSB обычно изучаются с (эффективным) вектором Бюргера, выровненным с плоскостью выдавливания, поскольку PSB распространяется поперек зерна и обостряется во время усталости; [12] монотонная полоса скольжения имеет вектор Бюргера для распространения и другой для выдавливания плоскости, оба из которых контролируются условиями на кончике.
Основные методы определения активной системы скольжения включают либо анализ следов скольжения монокристаллов [13] [14] или поликристаллов [15] [8] с использованием дифракционных методов , таких как нейтронная дифракция [16] и анализ упругой деформации методом дифракции обратного рассеяния электронов с высоким угловым разрешением [17] или дифракционное изображение дислокаций с помощью просвечивающей электронной микроскопии [18] .
При анализе следа скольжения измеряется только плоскость скольжения, а направление скольжения выводится. Например, в цирконии это позволяет идентифицировать активность скольжения на базальной, призматической или пирамидальной плоскости 1-го/2-го порядка. В случае следа пирамидальной плоскости 1-го порядка скольжение может происходить либо в направлениях ⟨𝑎⟩, либо ⟨𝑐 + 𝑎⟩; анализ следа скольжения не может различить их. [5]
Исследования на основе дифракции измеряют остаточное содержание дислокаций вместо скользящих дислокаций, что является лишь хорошим приближением для систем, которые накапливают сети геометрически необходимых дислокаций , таких как гранецентрированные кубические поликристаллы. [19] В кристаллах с низкой симметрией, таких как гексагональный цирконий , могут быть области преимущественно одиночного скольжения, где геометрически необходимые дислокации не обязательно могут накапливаться. [20] Остаточное содержание дислокаций не различает скользящие и сидячие дислокации. Скользящие дислокации способствуют скольжению и упрочнению , но сидячие дислокации способствуют только скрытому упрочнению. [5]
Методы дифракции, как правило, не могут разрешить плоскость скольжения остаточной дислокации. Например, в Zr винтовые компоненты ⟨𝑎⟩ дислокаций могут скользить по призматическим, базальным или пирамидальным плоскостям 1-го порядка. Аналогично, винтовые дислокации ⟨𝑐 + 𝑎⟩ могут скользить по пирамидальным плоскостям 1-го или 2-го порядка. [5]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )