Пластичность (от греч. plastikós — годный для лепки, податливый, пластичный), свойство твёрдых тел необратимо изменять свои размеры и форму (т. е. пластически деформироваться) под действием механических нагрузок. П. кристаллических тел (или материалов) связана с действием различных микроскопических механизмов пластической деформации, относительная роль каждого из которых определяется внешними условиями: температурой, нагрузкой, скоростью деформирования. Эти механизмы рассмотрены в порядке увеличения числа атомов, участвующих в элементарном акте пластической деформации.
Самодиффузионная и диффузионная П. Под действием сжимающих сил происходит перемещение атомных слоев кристалла с участков его поверхности, на которые эти силы действуют, на участки, где действуют растягивающие силы. Перенос массы может осуществляться посредством самодиффузии по поверхности или через объём кристалла. Если кристалл не очень мал, так что удельная его поверхность (т. е. отношение поверхности к объёму) не слишком велика, объёмная самодиффузия является наиболее эффективным механизмом. Она происходит путём «растворения», т. е. проникновения атомов поверхностных слоев внутрь кристалла в виде междоузельных атомов на участках сжатия и «выделения» их на участках, подверженных действию растягивающих сил. Одновременно в противоположном направлении идёт поток вакансий, рождающихся в окрестности приложения растягивающих сил и аннигилирующих в местах сжатия. В большинстве реальных случаев самодиффузионная деформация в основном связана с направленными потоками вакансий, которые образуются легче, чем междоузельные атомы (рис. 1).
В кристалле, состоящем из атомов разного сорта, в однородном поле напряжений происходит ориентационное упорядочение относительного расположения атомов (рис. 2, а), в результате чего кристалл приобретает некоторую зависящую от степени упорядоченности деформацию. После снятия напряжений упорядоченное состояние может быть невыгодно, но оно некоторое время сохраняется, т.к. возврат в неупорядоченное состояние происходит со скоростью диффузионных перескоков атомов. Если в кристалле создано неоднородное поле напряжений, то атомы примеси большего радиуса и междоузельные атомы (рис. 2, б) стремятся перейти в растянутые области решётки, а меньшего — в сжатые; возникает неоднородное распределение концентраций, стабилизирующее исходную неоднородную деформацию. Максимальная деформация, которая может возникнуть в результате ориентационного упорядочения или концентрационной неоднородности, ограничена составом кристалла. Таким образом, самодиффузионная и диффузионная деформации определяются потоками точечных дефектов (вакансий, междоузельных и примесных атомов). В реальных условиях перемещение дефектов происходит за счёт тепловых флуктуаций, частота которых быстро падает с понижением температуры. Поэтому эти механизмы П. действуют только при достаточно высоких температурах (не ниже 0,5 от абсолютной температуры плавления).
Краудионная П. обусловлена рождением и перемещением краудионов — сгущений атомов вдоль плотно упакованных рядов атомов в кристалле (см. Дефекты в кристаллах). При вдавливании острия в поверхность кристалла (рис. 3) материал из зоны вдавливания удаляется «разбегающимися» из-под острия краудионами, в результате чего на некотором расстоянии от точки вдавливания создаётся повышенная концентрация междоузельных атомов.
Дислокационная П. Типичный вид пластической деформации кристаллов — скольжение по кристаллографическим плоскостям. Наиболее легко скольжение происходит по плотноупакованным плоскостям вдоль плотноупакованных направлений. Скольжение по системе параллельных плоскостей даёт макроскопический сдвиг, а сочетание сдвигов, соответствующих скольжению по различным системам, составляет основную часть пластической деформации кристаллов. Скольжение происходит неоднородно: сначала оно охватывает некоторую область плоскости скольжения (рис. 4), а затем границы этой области распространяются на всю плоскость. Граница распространения скольжения называется дислокационной линией или дислокацией. Поэтому развитие скольжения можно рассматривать как образование и перемещение дислокаций. Скорость деформации пропорциональна плотности (суммарной длине дислокаций в единице объёма) и скорости перемещения дислокаций. В реальных кристаллах в процессе их образования всегда возникают дислокации, которые под действием напряжений способны увеличивать свою протяжённость (размножение дислокаций). Поэтому стадия образования новых дислокаций лишь в исключительных случаях лимитирует скольжение (например, начало деформации в без дислокационных микрокристаллах). В остальных случаях развитие скольжения определяется движением дислокаций.
Поскольку атомы вблизи дислокаций смещены из своих положений равновесия, перевод их в новые положения равновесия, отвечающие сдвигу кристалла по плоскости скольжения на одно межатомное расстояние, требует значительно меньших затрат энергии, чем для атомов в неискажённом кристалле. Энергетический барьер для смещения дислокации тем меньше, чем больше зона искажения в окрестности дислокации. По подвижности дислокации все материалы делятся на 2 группы. В ковалентных кристаллах этот барьер по порядку величины приближается к энергии межатомных связей и может быть преодолен только за счёт тепловой активации (термических флуктуаций). Поэтому подвижность дислокаций становится заметной лишь при достаточно больших температурах, а при умеренных — ковалентные кристаллы непластичны. В металлических и ионных кристаллах барьер для перемещения дислокации в 103—104 раз меньше энергии связи и исчезает при напряжениях 10-3—10-4 G (где G — модуль сдвига); при таких напряжениях движение дислокаций не нуждается в тепловой активации и их подвижность слабо зависит от температуры. Сопротивление движению дислокаций в совершенной кристаллической решётке пренебрежимо мало, чем обусловлена высокая П. ионных и металлических кристаллов.
В реальных кристаллах имеются различные дефекты (точечные дефекты, примесные атомы, дислокации, частицы других фаз), и сопротивление скольжению зависит от взаимодействия движущихся дислокаций с этими дефектами. В беспримесных пластических кристаллах междислокационное взаимодействие является основным. Часть сопротивления скольжению, связанная с непосредственным столкновением дислокаций, может быть уменьшена за счёт тепловой активации, однако преобладающая часть обусловлена дальнодействующим взаимодействием дислокаций через собственные поля напряжений, которые они вокруг себя создают, и почти не зависит от температуры. В результате взаимодействия друг с другом дислокации тормозятся и останавливаются, поэтому для протекания деформации с постоянной скоростью необходимо непрерывное рождение новых дислокаций. Это приводит к постоянному увеличению плотности дислокаций в кристалле, которая достигает 1011—1012 см-2; соответственно растет их взаимное сопротивление скольжению — происходит деформационное упрочнение, или наклёп кристалла.
Развитие междислокационного взаимодействия отражает диаграмма «напряжение — деформация» (рис. 5), которая в типичных случаях обнаруживает 3 характерных участка, отвечающих трём основным стадиям эволюции дислокационной структуры.
На стадии I (стадия лёгкого скольжения) плотность дислокаций относительно невелика, каждая дислокация до остановки успевает пройти расстояние, сопоставимое с размером всего кристалла, и значительная часть дислокаций выходит на поверхность кристалла. Сопротивление скольжению обусловлено взаимодействием отдельных дислокаций, плотность которых возрастает с деформацией относительно медленно, поэтому коэффициент упрочнения здесь мал (~ 10-з G). С увеличением степени деформации и ростом плотности дислокаций их распределение становится существенно неоднородным: дислокации образуют компактные скопления в плоскостях скольжения (стадия II). Поля напряжений от этих скоплений, в свою очередь, являются причиной побочной пластической деформации. Эта локальная, различным образом направленная деформация может не проявляться в общем формоизменении кристалла, но увеличивает плотность дислокаций в результате появления дислокаций во вторичных системах скольжения. Взаимодействие дислокаций основной и вторичных систем приводит к образованию дислокационных сгущений и формированию дислокационной ячеистой структуры (рис. 6). На протяжении всей стадии II характер дислокационной структуры сохраняется, уменьшается только размер ячеек; коэффициент упрочнения ~10-2 G. С дальнейшим увеличением плотности дислокаций происходит «выдавливание» части дислокаций из плоскостей скольжения, в которых они были расположены; при этом дислокации противоположных знаков встречаются и аннигилируют. Происходит разрядка дислокационной плотности, сопровождающаяся падением коэффициента упрочнения (стадия III). Параллельно начинаются процессы нарушения сплошности (образование микротрещин), которые приводят в конечном итоге к разрушению кристалла, определяющему максимально достижимую величину пластической деформации (см. Прочность).
При высоких температурах дислокационный механизм П. сочетается с диффузионным и самодиффузионным. В кристаллах с примесями релаксация напряжений у дислокаций или дислокационных скоплений может осуществляться в результате перераспределения примесных атомов. Вокруг дислокации образуются примесные «атмосферы» и дислокационная П. падает (деформационное старение). Поэтому удаление примесей обычно повышает П. С другой стороны, дислокации являются эффективными стоками и источниками вакансий и междоузельных атомов. Рождение или аннигиляция этих дефектов приводят к достройке или сокращению обрывающихся на дислокациях неполных атомных плоскостей и, следовательно, «переползанию» дислокаций из своей плоскости скольжения. Потоки точечных дефектов между дислокациями разного знака приводят к самодиффузионной пластической деформации, а вызванное этими потоками переползание дислокаций позволяет им обойти препятствия, лежащие в плоскости скольжения. Путь скольжения, пройденный каждой дислокацией в условиях высокотемпературной деформации, увеличивается (по сравнению с обычными температурами, когда диффузионная подвижность мала). Процессы разрядки дислокационной плотности вследствие взаимной аннигиляции дислокаций протекают более интенсивно, деформационное упрочнение падает и деформация развивается при постоянной нагрузке (ползучесть).
Двойникование. Этот механизм связан с деформацией элементарной ячейки кристалла, приводящей к изменению ориентировки части кристалла относительно действующих сил (см. также Двойникование). Переориентированная часть кристалла претерпевает относительно исходного кристалла двойниковый сдвиг, величина которого определяется симметрией кристаллической решётки. В реальных условиях развитие деформации происходит путём зарождения и распространения в исходном кристалле прослоек двойниковой компоненты. Если двойниковая прослойка заканчивается внутри кристалла, у её концов возникают поля напряжений; взаимодействие двойников приводит к деформационному упрочнению. В некоторых кристаллах, например кальците, двойникование — основной механизм пластической деформации, но обычно двойникование развивается преимущественно при низких температурах, когда скольжение затруднено и создаются условия для локальной концентрации напряжений, необходимой для зарождения двойников.
П. вследствие протекания фазового превращения. Необратимое изменение формы может быть также результатом образования под нагрузкой новой фазы, имеющей иную кристаллическую решётку, чем исходный кристалл. При этом исходная фаза должна быть метастабильна (см. Метастабильное состояние) по отношению к образующейся, по крайней мере при действии механических напряжений. Поскольку относительная стабильность зависит также от температуры, П. в этом случае существенно зависит от температуры деформирования по отношению к температуре равновесия фаз. В определённых случаях, уменьшая стабильность образовавшейся под нагрузкой фазы за счёт изменения температуры, можно уничтожить полученную при превращении деформацию: кристалл возвращается к исходной форме («эффект памяти»).
В поликристаллах действие рассмотренных механизмов пластической деформации внутри зёрен осложнено взаимодействием между зёрнами. Деформация поликристалла есть суммарный результат деформации во многих различно ориентированных относительно нагрузок и находящихся в различных условиях зёрен. Поэтому развитие деформации не имеет четко выраженного стадийного характера, как деформации монокристаллов (рис. 5). Межзёренные границы препятствуют распространению дислокаций и, как правило, упрочняют кристаллические тела при низких температурах. Наоборот, при высоких температурах наличие границ, являющихся источниками или стоками дефектов, повышает П. Сочетание дислокационной и самодиффузионной деформаций в приграничных областях приводит к их высокой П., проявляющейся в специфическом механизме высокотемпературной деформации поликристаллов — «проскальзывании» по границам зёрен. Перемещение зёрен друг относительно друга происходит подобно движению частиц в сыпучих материалах и в некоторых случаях обеспечивает деформацию до 1000% («сверхпластичность»). Высокая П. может достигаться также, если в ходе деформирования успевает проходить рекристаллизация, приводящая к удалению наиболее искажённых и, следовательно, наименее пластичных зёрен, которые поглощаются растущими зёрнами с более совершенной структурой. Постоянное восстановление П. за счёт рекристаллизации широко используется на практике при горячей обработке металлов.
П. простых аморфных тел связана с диффузионными перегруппировками атомов и молекул. П. ряда веществ связана с передвижением недеформирующихся твёрдых частиц друг относительно друга в некоторой вязкой среде. К такого рода явлениям можно отнести П. глин, сыпучих тел, смоченных водой, и т.п.
Изучение П. представляет большой практический интерес, т.к. делает возможным рациональный выбор технических материалов, к П. которых обычно предъявляется целый комплекс требований как при обработке, так и при эксплуатации их в различных условиях. Изучением различных аспектов П. занимается ряд физико-математических и теоретических дисциплин: физика твёрдого тела (в частности, теория дислокаций) исследует микроскопические механизмы П., механика сплошных сред (теории пластичности и ползучести) рассматривает П. тел, абстрагируясь от их атомно-кристаллической структуры, сопротивление материалов и др.
Лит.: Фридель Ж., Дислокации [кристаллов], пер. с англ., М., 1967; Физика деформационного упрочнения монокристаллов, К., 1972; Набарро Ф. Р., Базинский З. С., Холт Д. Б., Пластичность монокристаллов, пер. с англ., М., 1967; Хоникомб Р., Пластическая деформация металлов, пер. с англ., М., 1972.
А. Л. Ройтбурд.
Рис. 6. Схема расположения дислокации на стадии II пластической деформации.
Рис. 1. Самодиффузионная пластичность: I — кристалл с вакансиями в первый момент действия напряжений s (тонкими стрелками показаны направления перемещений атомов); II — деформация вследствие потока вакансий под действием напряжений; III — конечная деформация кристалла.
Рис. 3. Краудионная пластичность: I — кристалл до вдавливания; II — образование краудионов при вдавливании острия; III — конечное изменение формы. В кристалле образовались междоузельные атомы.
Рис. 5. Диаграмма «напряжение — деформация» для монокристалла цинка.
Рис. 4. Элементарное скольжение в результате перемещения дислокации.
Рис. 2. Диффузионная пластичность: а — ориентационное упорядочение примесных атомов (чёрные кружки) в однородном поле напряжений; б — перераспределение примесных атомов в неоднородном поле напряжений; I — исходный кристалл; II — кристалл с примесными атомами под действием напряжений; III — конечная деформация кристалла.