Дислокациялар, деформация механизмдері.

Дислокация (" жылжу" деген мағ ынаны береді). Кристалдық идеал
қ ү рьшымының бү зылуы тек нү ктелерде ғ ана жү рмей сызық жә не жа-
зық тық тық бойымен де жү реді. Мү ндай тү рдегі қ ү рылымның бү зы-;
луын дислокациялар (жылжулар) деп атайды. Дислокацияның шектік
жә не бү рандалық деп аталатын екі маң ызды тү рлері болады. ^:

а) Шектік дислокацияланғ ан кристалда, екі тү рақ ты жазық тық тар; арасывда, артық жартылай жазық тық байқ алады(65.2-сурет). Осы жартылай жазық тың шегі қ арастырылып отырғ ан дислокацияның тү рінде жатады. Дислокация сызығ ы сурет жазық тығ ына перпендикуляр X і таң басымен белгіленген тү зу болады.

Дислокация манындағ ы кристалл ' оғ ан қ ү рьшып бітпеген жазық ты ендірудің нә тижесінде, кү штену (зор-лану) кү йінде болады.

Бө лшектердің қ альшты жағ дайы дислокациядан бірнеше атом диаметрі қ ашық тығ ында жү зеге асады.

Идеал кристалдарда пластикалық деформация 65.4-суретте кө рсеііпгендей, кристалл торының атомаралық байланыстарьшың ү зілуі есебінен жү реді. Осы суретге серпімсіз ығ ысу деформациясының бірінен кейін бірі жү ретін ү ш сатысы келтірілген. Бағ дар сызығ ымен ә сер ететін жанамалық кү штердің ә серінен идеал кристалдың бір-бірімен салыстыргандағ ы бө ліктері ығ ысып, пунктир сызығ ы бойымен жазық -тық бойынша байланыстарды бір уақ ытта ү зеді. Мү ндай негіздегі

процестерді жү ргізуге қ ажепі кү іші есептегең де, ол тә жірибе қ орытынды-ларынан алынатын кү штің мә нінен анағ ү рлым кө п болатындығ ын кө рсетеді. Бү ның тү сінігі былай болады. Шынында, нақ ты денелердегі пластикалық деформация бір мезгілде емес, 65.5-суретінде кө рсетілгендей дислокация қ озғ алысына байланысты, біртіндеп кезекпен ү зу арқ ылы

жү реді. Бұ л суретте, жанамалық кү штің ө серінен шекті дислокация-ның тө рт сатылы жү йелі қ озғ алысы кө рсетілген. Бү л жағ дайда атом-дардың атом аралық байланыстары бірінен соң бірі кезекпен ү зіледі. Сондық тан да, сырғ анау ү шін шекті дислокация кезінде шамалы ғ ана кү ш қ ажет болады. Дислокацшшың ө зіне тә н қ асиеті, ол байланыстар-ды " қ айшы" секілді бірден емес, кезекпен, біртіндеп ү зеді. Қ арасты-рылғ ан мысаддан кристалл бө ліктерінің салыстырмалы ығ ысу процесі бітіп жә не шекті дислокациясы жоғ алып (сыртқ ы шығ умен) барып тынады (65.5, г-сурет).

Созылу кезіндегі пластикалық деформацияның механизмі, ығ ысу кезівдегі деформацияғ а ү қ сас. Цилиң дрлік монокристалда ө те ү лкен созатын кү ш ә сер еткенде 65.6-суретте кө рсетілгендей сырғ анау жазық тығ ы пайда болады. Бү л кезде тек жекеленген жазық тық тың атомдары ығ ысып қ оймай, ү лғ айтуы 100-200 есе болатьш микроскоппен қ ара-ғ анда, бү тін жазық тық тар тобы ығ ысатындығ ы байқ алады.

Пластикалық деформация дислокацияның орын ауыс-тыруына кедергі жасайтын, кристаддық тордың бү зылуы жә не кө п санды ақ аудың пайда болуы арқ ылы жү реді. Материалды суық кү йінде ө ндегенде, оның нығ ая тү суін осы-мен тү сіндіруге болады.

б) Бұ рандалық дислокация кө біне ерітіндіде, не қ ортпа-да кристалдың ө су процесінде пайда болады. 65.7-суретінде бү рандалық дислокация кө рсетілген. Ол кристалдың бір

бө лігінің атомдарының екінші бө лшнщ атомдарымен салыстырі анда ығ ысуының нә тижесінде тү зеледі. Сондық тан дислокация сызығ ының айналасында спираль шиыршык, тү ріндегі кө лбеу жазық тық пайда бо-лады (65.7-суретіндегі а б в г сызығ ы-бү ранда сызығ ы).

1. Жазық ақ аулар. Поликристалдық материадцарда тү йіршікгіліктің бар болуы жазық ақ аудың білінуінің нақ ты ақ иқ атгылығ ы деуге бола-ды. Поликристалдық дене кө птеген бірімен-бірі жалғ асқ ан, қ алай бол-са солай бағ ытталғ ан кристалдардан (тү йіршіктерден) тү рады (65.8-сурет). Тү йіршіктердің арасындағ ы шекарадағ ы бө лшекгердің қ абатта-ры жазық ақ аулардың байқ алу аймағ ы болып табылады. Бү л аймақ -тардың ені бірнеше атом диаметріне тең жә не кө рші ө р тү рлі бағ ыттал-ғ ан аймақ тардың бір-бірімен тү йісуін (жанасуын) қ амтамасыз етеді. Кө бінесе, поликристалдағ ы тү йіршіктер кристалдың дү рыс пішініне сә йкес келмейді, олардың бетгерінде кездейсоқ бағ ытталу орын алады. Температура жоғ арылап артқ ан сайын, бө лшектің қ озғ алғ ыштығ ы ар-тады жә не кейбір тү йіршіктер басқ атү йіршікгердің есебінен ө се бастайды (екінші рекристаллизация).

Бү л процестің металдар технологиясында ү лкен мә ні бар. Бү л жерде, ең қ ызығ ы, тү йіршіктің бар болуы металдың нығ айуына (бекуіне) ө келіп соғ ады (яғ ни дислокацияның ыкдалының азайуына). Дислокацияның қ озғ алысьша тү йіршіктер ара-сындағ ы шекара елеулі кедергі болып саналады.

Дислокацияны қ оспалар ендіру жолымен бекітеді. Жоғ ары темпе-ратурада ендірілген қ оспалар дислокация аймағ ында шоғ ырланады. Тө менгі температурада қ оспаның атомдары қ озғ алғ ыштығ ын жоғ алта-ды жә не кристалда дислокацияның еркін қ озғ алуына жол берілмейді.

Кейбір жағ дайларда, ө те аз қ оспаның ө зі (0, 01 % жә не одан да аз) ¹ дислокацияны бекіту ү шін жеткілікті.

Дислокацияны жә не оның қ озғ алысын элекгрондық миіфоскоппен бақ ылауғ а болады. Ә детгегі кристалдарда, оның бетіндегі дислокация тығ ыздығ ы ө те ү лкен болады.

Тү скен кү штің ә серінен дененің сырт пішінінің, ө лшемдерінің ө згеруі деформация деп аталады. Шағ ын кернеудің эсерінен туындап, ол кернеуді алып тастағ анда бірге жойылатын деформация серпімді, ал сақ талып қ алатын деформация пластикалық деп аталады. Кернеуді ә рі қ арай кө тергенде туындағ ан деформация қ ираумен аяқ талуы мү мкін.

Серпімді жә не пластикалық деформацияның жү ру сарыны физикалық тұ рғ ыдан бір-біріне ұ қ самайды. Серпімді деформация туындағ ан металдың микроқ ү рылымы ө згермейді, кристалл торындағ ы атомдар тепе-тең дік кү йден ауытқ ып арақ ашық тық тары ө згереді. Деформация тудырғ ан кү шті тоқ татқ ан кезде орын ауыстырғ ан атомдар бастапқ ы тепе-тең дік кү йіне оралады.

а) бастапқ ы қ ү рылым; б) серпімді деформация; в) сершмді жә не
пластикалық деформация; г)- сырғ ып деформацияланғ ан қ ү рылым; д)-

қ осарланып деформацияланғ ан қ ү рылым.

3.1- сурет. Деформация тү рлері

Қ атты дене деформациясының бірнеше тү рлері болады. Олардың кейбіреулері 3.7.1-суретінде кө рсетілген.

1 – созылу деформациясы, 2 – жылжыту деформациясы, 3 – сығ ылу деформациясы

-сурет. Қ атты денелер деформациясының кейбір тү рлері

Дененің деформациясы кезінде, дененің бастапқ ы қ алпын мен ө лшемін сақ тайтын кері кү ш пайда болады. Бұ л кү ш атом жә не молекула арасында электромагниттік ә серлесу кезінде пайда болады. Мұ ндай кү шті серпімділік кү ші деп атайды. Деформацияның қ арапайым тү рі – созылу жә не сығ ылу деформациясы болып табылады (1.12.1-сурет).

-сурет. Созылу (x > 0) жә не сығ ылу (x < 0) деформациялары

Сыртқ ы кү ш . Кіші деформация кезінде (| x | < < l) серпімділік кү ші дененің деформациясына пропорционал жә не деформация кезіндегі дене бө лшектерінің орын ауыстыруына қ арама-қ арсы бағ ытталады.

F _x = F _упр = – kx

Бұ л қ атынас экспериментальды қ ойылғ ан Гук заң ын береді. k коэффициентін дененің қ атаң дығ ы деп атайды. СИ жү йесінде қ атаң дық ньютон метрге (Н/м) ө лшенеді. Қ атаң дық коэффициенті дененің қ алпы мен мө лшеріне жә не дене жасалғ ан материалына байланысты. Физикада Гук заң ын тартылу жә не сығ ылу деформациясын басқ а тү рде жазады.

Деформацияның қ арапайым тү рі болып созылу жә не сығ ылу деформациялары табылады. Оны сыртқ ы кү штің ә серінен дененің Δ l абсолют ұ заруымен сипаттауғ а болады. Δ l жә не F арасындағ ы байланыс дененің механикалық қ асиеттерінен ғ ана емес, дененің геометриялық ө лшемдерінен (қ алың дығ ы, ұ зындығ ы) де тә уелді болады. Δ l абсолют ұ заруының бастапқ ы l ұ зындығ ына қ атынасын ε салыстырмалы ұ зару немесе салыстырмалы деформация деп аталады.

Созылу кезінде ε > 0, сығ ылу кезінде ε < 0.

Егер денені ұ зартуғ а тырысатын сыртқ ы кү штің бағ ытын оң деп санасақ, онда созылу деформациясы кезінде F > 0, сығ ылу деформациясы кезінде F < 0. F сыртқ ы кү ш модулінің S қ имасының ауданына қ атынасын σ механикалық кернеу деп атаймыз.

мұ ндағ ы S – деформацияланғ ан дененің кө лденең қ имасының ауданы

СИ жү йесінде механикалық кернеудің бірлігі ретінде паскаль (Па) қ абылданғ ан.

Онда Гук заң ын салыстырмалы деформация ε, σ кернеуге пропорционал болады.

E коэффициенті Юнг модулі деп аталады. Юнг модулі тек дененің жасалғ ан материалына байланысты, ал дененің қ алпы мен ө лшемінен тә уелсіз. Ә р тү рлі материалдар ү шін Юнг модулі кең аралық тарда ө згереді. Мысалы, болат ү шін E ≈ 2·10¹¹ Н/м², ал резина ү шін E ≈ 2·10⁶ Н/м², яғ ни 5 ретке кемиді.

Гук заң ы кү рделі деформациялар ү шін жалпылануы мү мкін. Мысалы, иілу деформациясы кезінде серпімділік кү ші ұ штары екі тіреуде орналасқ ан стерженнің иілуіне пропорционал (1.12.2сурет)

. Иілу деформациясы

серпімділік кү ші тіреу тарапынан денеге ә сер ететін кү шті тіреудің реакция кү ші деп аталады. Жанасқ ан кезде денелердің реакция кү ші жанасқ ан бетке перпендикуляр бағ ытталады. Сондық тан нормаль қ ысым кү ші деп атайды. Егер дене қ озғ алмайтын горизонталь ү стелдің ү стінде жатса, онда тіреу кү ші вертикаль жоғ ары бағ ытталғ ан жә не ауырлық кү шіне тең геріледі.

.

Мұ ндағ ы ү стелге ә сер ететін кү ші дене салмағ ы деп аталады. Техникада кө бінесе спираль тә різді серіппе қ олданылады (1.12.3-сурет). Серіппенің созылу немесе сығ ылу кезінде Гук заң ына бағ ынатын серпімділік кү ші пайда болады. k коэффициенті серіппенің қ атаң дығ ы деп аталады. Гук заң ының қ олданылғ ан кезде серіппенің ұ зындығ ының ө згеруі ық тимал. Сондық тан оларды кү шті ө лшеуге қ олданылады. Кү ш бірліктеріне бө лінген созылуғ а арналғ ан серіппені динамометр деп атайды. Мұ ндағ ы ескерту: созылу жә не сығ ылу кезіндегі серіппенің орамдарында айналу жә не иілу сияқ ты кү рделі деформациялар болады.

Пластикалық деформация туындағ ан металдың қ ұ рылымы кері айналмайтындай ө згереді, қ асиеті бірге ө згереді. Пластикалық деформация туындағ анда кристалдың бір бө лігі екінші бө лігіне қ арағ анда бір тор периодына жылжып ауысады. Бірақ мү ндай жылжу бір атомдық жазық тық тың тү тас бірден сырғ уы деп тү сінуге болмайды, біртіндеп жылжу жазық тығ ының бойымен дислокациялардың орын ауыстыруы деп қ арау керек (3.2-сурет), ал кристалдың бетінде саты пайда болады. Дислокация кристалдың бір жағ ынан басталып екінші жағ ына жылжуының нә тижесінде дара кристалдың бір бө лігі бір атомдық арақ ашық тық қ а ауысып отырады. Пластикалык деформация осылай жү ріп отырады. Сондық тан пластикалық деформация процесінде дислокация ең маң ызды жэне шешуші роль атқ арады.

3.2- сурет. Шеттік дислокация схемасы

Пластикалық деформация тудыратын кү штердің мө лшері деформациялау температурасы мен оның жылдамдығ ына байланысты. Пластикалық деформацияғ а қ ажетті кү ш температура кө терілген сайын тө мендейді. Деформациялау жылдамдығ ы артқ ан сайын пластикалық деформациялау процесі қ иындай тү седі.

Металдың пластикалық деформацияғ а бейімділігі оның ө те маң ызды жэне пайдалы қ асиеттерінің біріне жатады. Мү ндай қ асиеті жоқ металды қ ысыммен ө ң деу - илемдеу, сымдау, соқ қ ылау, штамптау жә не басқ адай басып ө ң деу мү мкін болмас еді.

Пластикалық деформация туындамағ ан бү йымның қ ирауына аз мө лшердегі кү ш те жеткілікті болады.

Металдар кө бінесе тү скен кү штің эсерінен ығ ысуғ а емес созылуғ а немесе сығ ылуғ а қ арсылық кө рсетуге бейімді. Сондық тан пластикалық деформация процесін кристалдардың бір бө лігі атомдардың ең тығ ыз орналасқ ан кристаллографиялық жазық тық тардың бойымен екінші бө лігінен эрі қ арай сырғ ыйды немесе ығ ысады деп қ арау керек. Сырғ у кезінде кристалдық торлар бастапқ ы қ алпын ө згертпей сақ тайды. Пластикалық деформация сырғ удан басқ аша қ осарланып жү руі де мү мкін.

Қ осарлану сырғ у сияқ ты жылжу арқ ылы жү реді, тек қ ана кристалдың сырғ ып ығ ысқ ан бө лігі сырғ ып ығ ыспағ ан бө лігінің айнадағ ы кері бейнесіндей қ айырылып отырады (3.1 сурет, д).

Қ осарлану деформациясын кристалдың бір бө лігінің сырғ уы екінші бө лігіне симметриялы кері бағ ытта жү руінде деп сипаттауғ а болады.

Қ осарланып жылжу ү шін жү мсалатын жылжу кернеуі жоғ ары болу керек, ол кө бінесе сырғ ып деформациялануғ а мү мкіндік болмағ ан жайларда байқ алады. КЦК, БЦК торларында қ осарлану деформациясы тек тө мен температурада жэне тү скен кү штің жылдамдығ ы ө те жоғ ары болса ғ ана байқ алады. Қ осарланып деформациялану кө бінесе гексагональді тығ ыз торларда (Ті, Мg, Zn) кездеседі. Гексагональды тығ ыз тордан тү ратын металдардың созымталдығ ы тө мен болғ андық тан илемдеуге, штамптауғ а жарамайды.