Двойникование в металлах это
Обновлено: 07.07.2024
Механическое двойникование заключается в повороте узлов решетки одной части кристалла в положение, симметричное к другой части кристалла, вследствие чего одна часть кристалла становится зеркальным отображением другой его части ( фиг. Плоскость, относительно которой происходит, поворот узлов кристаллической решетки, называется плоскостью двойникования. Для появления двойникования необходимо создать в этой плоскости напряжение, величина которого зависит главным образом от природы кристалла и в меньшей степени от температуры и скорости деформации. Последним обстоятельством объясняются те факты, что двойни-кованию содействуют: 1) повышение скорости деформации и 2) понижение температуры деформации. [1]
Исследования механического двойникования являются составной частью экспериментального и теоретического изучения проблем прочности и пластичности кристаллических твердых тел. Разрушение и механическая прочность кристаллических материалов тесно связаны с их пластическими свойствами. Проблемы прочности и пластичности кристаллических материалов изучаются экспериментально и теоретически с давних пор. Борн ( 1918), Полани ( 192Г) Цвики ( 1923) рассматривали проблему прочности ионных кристаллов, исходя из представлений о кулоновском взаимодействии каждого иона кристаллической решетки со всеми остальными. Оказалось, что прочность, вычисленная таким образом, в 100 - 1000 раз выше экспериментальных значений прочности ионных кристаллов. [2]
Интерес к исследованию механического двойникования был обусловлен началом в 60 - е годы широкого изучения исключительно важного в практическом отношении явления хрупкого разрушения материалов и конструкций в условиях низкотемпературной деформации. [4]
В отличие от монокристаллов механическое двойникование в поликристаллах играет, согласно современным представлениям [22], роль только дополнительного механизма деформации, который не вносит заметного вклада в пластичность материала, однако существенно влияет на протекание скольжения при низких температурах, как бы моделируя скольжение за счет локальных концентраций напряжения. [5]
Все эти явления, особенно механическое двойникование , играют большую роль при пластических деформациях монокристаллов и поликристаллов. Построить физическую теорию пластичности без этих явлений невозможно, и одной только насмешкой, к сожалению, эти явления устранить нельзя. [6]
Следует отметить, что наиболее интенсивно механическое двойникование , особенно в ОЦК-металлах, изучалось в 60 - е годы. К этому времени относятся фундаментальные работы Халла [21], Шлизвика [20], Мэдина. Огавы [118], А. М. Косевича [111, 119, 120], а также работы В. И. Трефилова с сотрудниками [22 121, 122], посвященные изучению двойникования в поли кристаллических ОЦК-металлах. [8]
Можно ожидать, что постоянство т является критерием механического двойникования при различных схемах нагружения. В [258] приведена проверка применимости использования постоянства т как критерия механического двойникования путем соответствующей обработки экспериментальная данных по образованию микродвойников при микроинденти-ровании циркония. Метод микроиндентирования обладает рядом преимуществ по сравнению с нагруженном шаром и широко используется для исследования механических свойств материалов. [9]
Обратим внимание на глубокое сходство стадийностей протекания процессов механического двойникования ( ем. [10]
Вторым принципиально отличным от скольжения типом пластической деформации является механическое двойникование , при котором часть деформируемого кристалла переходит в новое положение, симметричное по отношению к недвойниковавшейся части кристалла ( рис. 3.6, б) относительно некоторой плоскости - плоскости двойникования. [12]
Таким образом, закон критических скалывающих напряжений в его простейшем толковании неприменим для описания механического двойникования в условиях сосредоточенной нагрузки. [13]
Пластическая деформация монокристаллов происходит: 1) путем скольжения ( сдвига) и 2) путем механического двойникования . [15]
Двойникование металлов
Пластическая деформация кристаллических тел может осуществляться не только скольжением, но и двойникованием. Роль этого процесса возрастает со снижением температуры и (или) повышением скорости деформации. При двойниковании кристаллит делится обычно скачкообразно плоскостью двойникования на две части, и кристаллическая решетка в одной его части становится зеркальным отображением решетки в другой части (рис. 23).
Видимые на микрофотографиях (рис. 24, а) прямые границы двойников представляют собой следы пересечения групп плоскостей двойникования на границе матрица — двойник с поверхностью шлифа. На границах двойников согласно механизму образования последних должна быть когерентная связь между атомами в матрице и в двойнике. Когерентный характер границ двойника определяет их собственную низкую энергию (по сравнению с обычными некогерентными границами) и отсюда их высокую устойчивость, например при нагреве. Поэтому двойники в структуре металлов, например с г. п. у. решеткой, исчезают с большим трудом и при весьма высоких температурах нагрева.
В общем случае исчезновение двойника может происходить при движении (миграции) некогерентной границы, которой в случае двойника, ограниченного двумя параллельными линиями, является его торцовая граница. Поэтому при нагреве часто происходит укрупнение двойников — образуются двойники отжига (рекристаллизации), которые по существу являются выросшими («соединенными») двойниками деформации.
На полированных и травленых микрошлифах двойники выглядят как светлые или темные полосы (см. рис. 24) в зависимости от ориентировки вышедшей на поверхность шлифа двойниковой области, а отсюда большей или меньшей ее травимости в зависимости от соотносительной величины поверхностной энергии.
Двойник никогда не пересекает границы зерна. Иногда он заканчивается внутри зерна и даже не доходит до границы. В ряде случаев, когда двойник заканчивается у границы зерна, напряжения, возникшие при его образовании, являются причиной появления второго двойника в соседнем зерне, начинающегося в этом же участке границы. Естественно, что ориентировки обоих двойников различны и определяются ориентировкой зерен.
Для того чтобы при микроструктурном исследовании отличить двойники от полос скольжения, надо производить попеременно операции полировки и травления шлифов. Полосы скольжения имеют преимущественно поверхностный характер и сравнительно быстро исчезают при чередовании этих операций, тогда как двойники являются трехмерными образованиями и в большей мере простираются вглубь кристалла. Кроме того, в кристаллах с гексагональной или о. ц. к. решетками двойники деформации всегда гораздо шире полос скольжения.
Деформация двойникованием является преимущественным механизмом пластического течения металлов с весьма плотноупакованной решеткой (например, цинк, висмут и др.). Однако в определенных условиях (большая скорость и низкая температура деформации) двойникование, а также образование дефектов укладки могут наблюдаться и в металлах с о. ц. к. решеткой, например в железе, в котором возникают характерные узкие полосы Неймана (рис. 24,б). Так, наиболее четкие двойники были обнаружены в метеоритном железе, образовавшиеся, вероятно, в результате удара при падении метеорита.
В исследованиях последних лет, выполненных с использованием просвечивающей электронной микроскопии, показано, что и в металлах с г. ц. к. решеткой, даже после деформации при комнатной температуре, образуются двойники типа . В частности, это было показано на сплаве Fe+25% Ni+0,5% С после прокатки со степенью обжатия 20%, а также после растяжения с остаточным удлинением 12—15%. Существование двойников деформации может быть зафиксировано при тщательном изучении травленых шлифов на оптическом микроскопе в темном и светлом поле, но наиболее полно это отмечается при электронномикроскопическом исследовании (рис. 25). Двойниковые пластинки небольшой толщины располагаются в полосах деформации, причем эти прослойки являются тормозящими барьерами для дислокаций, движущихся по другим системам.
3.1.3.2. Деформация двойникованием
Как указывалось, пластическая деформация кристаллов может осуществляться не только наиболее распространенным способом - скольжением, но и путем двойникования. Суть его состоит в том, что сдвиг происходит в результате кристаллографической переориентации смещенной части кристалла в положение, являющееся зеркальным (обратным) по отношению к основной (матричной) части. Возникающая двойниковая прослойка (двойник) отличается от матрицы только кристаллографической ориентировкой, но при этом они обе сохраняют одинаковую по уровню симметричности пространственную решетку. Схематическое изображение двойникового сдвига показано на рис.56в. Расположение атомов при двойниковании приведено на рис.57. Под действием напряжения сдвига атомы, находящиеся по другую сторону плоскости двойникования, движутся таким образом, чтобы оказаться в положении зеркального отображения относительно матричной части кристалла.
Механизм двойникования имеет дислокационную природу и процесс реализуется за счет движения особых двойникующих дислокаций. После их прохождения через весь кристалл создается окончательная конфигурация двойника.
Рис.57. Перестройка кристаллической решетки при двойниковании
Обычно двойникование идет в тех случаях, когда по тем или иным причинам оказывается затрудненным скольжение. Поэтому оно не является основным видом деформации в тех металлах, которые обладают большим числом систем скольжения (например, с ГЦК решеткой). Напротив, наиболее часто оно наблюдается в металлах, в которых возможности для скольжения весьма ограничены -, скажем, в гексагональных плотноупакованных, где скольжение может идти по единственной базисной системе. Так, монокристалл цинка легко деформируется путем базисного скольжения, если плоскость базиса ориентирована наиболее благоприятным. Но если эта плоскость расположена параллельно или перпендикулярно оси растяжения, то кристалл будет деформироваться другим способом - двойникованием. Двойникованию благоприятствует также деформация при низких температурах и высоких скоростях нагружения. В этих условиях, когда становится затрудненным скольжение, сдвиг реализуется посредством конкурирующего механизма - двойникование. Такую картину можно наблюдать, например, в металлах с ОЦК решеткой - в железе (a-Fe), молибдене, вольфраме, хроме. При отрицательных температурах и ударном нагружении деформация двойникованием возможна даже в металлах с ГЦК решеткой.
Поверхность кристалла
Плоскость деойникоеания
Как и скольжение, двойникование является процессом кристаллографически упорядоченным, т.е. происходит по определенным плоскостям и вдоль определенных направлений (соответственно это плоскости и направления двойникования). Для каждого типа кристаллической решетки существует своя система двойникования. Так, для металлов с ГПУ решеткой плоскостью двойникования является плоскость типа , а направлением двойникование - направление типа . Соответственно для металлов с ОЦК решеткой ими являются плоскости и направления , а для ГЦК - и .
Поскольку смещение атомов при двойниковании прекращается после сдвига их только на часть межатомного расстояния, то это не приводит к значительной остаточной деформации материала. Поэтому у металлов, которые деформируются преимущественно двойникованием, мала величина пластической деформации и они считаются хрупкими материалами. Для таких металлов, как цинк, кадмий, магний, прошедшее двойникование может облегчать последующий процесс скольжения. Тем самым деформация может осуществляться обоими способами и в результате в состоянии достигать значительной величины. На границах двойников сохраняется когерентность (сопряженность) решеток матрицы и двойника. Это обстоятельство определяет их низкую энергию и, следовательно, высокую устойчивость (двойники исчезают с большим трудом и лишь при высоких температурах нагрева).
Процесс двойникования, как и механизм скольжения, описывается с
позиций дислокационной модели сдвигообразования. В общем случае для
начала двойникования требуются более высокие напряжения, чем для
скольжения. Однако эти напряжения по-прежнему существенно ниже
теоретической прочности кристалла. Поэтому реальная картина
двойникования рассматривается как процесс постепенного распространения
сдвига (аналогично скольжению) путем перемещения особых, так
называемых двойникующих дислокаций, способных двигаться по плоскости
двойникования. Например, в металлах с ГЦК решеткой двойникующей является частичная дислокация с вектором Бюргерса типа a/2.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Экспериментальное изучение двойникования в ряде кристаллов можно провести очень чистыми методами и довольно точно охарактеризовать количественно, Ji связи с этим представляется интересным подробный теоретический анализ процесса двойникования , выполненный на основе теории дислокаций. [17]
После образования упругого двойника или стабильной двойниковой прослойки достаточно приложить напряжение на сдвиг 0 3 - 0 4 МПа, равномерно распределенное по штоскости двойникования К в направлении 4j, чтобы процесс двойникования протекал при комнатной температуре. [18]
Более высокая пластичность титана при низких температурах, по сравнению с другими металлами ( например, кадмием, цинком, магнием) того же кристаллического строения, обусловлена особенностями его электронного строения и облегчением протекания процесса двойникования с понижением температуры. [19]
Кроме скольжений, при пластической деформации, происходит двойникование, заключающееся в сдвиге части данного зерна металла в другое положение, симметричное оставшейся части, относительно плоскости двойникования. Модель процесса двойникования может быть представлена в виде колоды карт, которая перекашивается в одну сторону ( фиг. Затем верхнюю часть колоды перекашивают в обратную сторону на двойной угол ( фиг. Конечно, при таких перекосах отдельные карты, изображающие слои атомов, скользят относительно друг друга. [20]
Таким образом, ударное растяжение и сжатие цилиндрических образцов приводит к различному изменению микроструктуры и величины деформационного упрочнения. При растяжении процесс двойникования в диапазоне скоростей деформирования 5 - 10 - 2 см / мин - 230 м / с не обнаружен, зависимость упрочнения от скорости несущественна. При ударном сжатии имеет место интенсивный процесс двойникования и упрочнения и плотность двойников, возрастая с деформацией, зависит от скорости деформирования, а также от ее изменения во времени. [21]
Склонность поликристаллического титана к двойникованию уменьшается с измельчением зерна и повышением содержания элементов внедрения. Легирование титана также затрудняет процесс двойникования . [22]
Следует, однако, иметь в виду, что из рассмотрения выпадает случай утолщения остаточной прослойки под воздействием больших нагрузок, когда дислокаций на границе мало и ситуацию нельзя описать в терминах дислокационного ансамбля. Кроме того, в ряде материалов в процессе двойникования имеет место взаимодействие между растущими двойниками, картина осложняется параллельно протекающими процессами скольжения и разрушения. [23]
Особенно интенсивно происходит двойникование в металлах с ограниченным числом систем скольжения. В ОЦК-металлах концентраторы напряжений у вершин двойников и высока скорость протекания процесса двойникования способствуют раскрытию трещин и соответственно хрупкому разрушению металлов [9, 19] ограничивая таким образом их низкотемпературную пластичность. [25]
При малой скорости повышения напряжений а скорость изменения толщины прослоек А с течением времени стремится к нулю, т.е. процесс двойникования прекращается в результате упрочнения. При большой скорости повышения напряжений а скорость утолщения h увеличивается, т.е. деформация протекает с ускорением. Существует значение а, при котором h сохраняется постоянной и устанавливается такой процесс, при котором напряжение увеличивается примерно на столько, на сколько повышается сопротивление деформации, а деформация протекает без ускорения или замедления. [26]
Рассмотрим более подробно двойникование в кристаллах НБН, поскольку без его устранения практическое применение этих кристаллов весьма ограничено. Как уже говорилось ( см. § 1), микродвойникование происходит при охлаждении во время фазового перехода из тетрагональной ( 4шга) в орторомбическую ( тт2) модификацию при температуре 260 С. Процесс двойникования действует в этом случае как механизм, ослабляющий внутренние напряжения в кристалле, вызванные этим переходом. Размер элементарной ячейки вдоль оси с при переходе остается почти постоянным, но еслн параметры а и Ъ тетрагональной ячейки одинаковы, то в орторомбической они несколько различаются. [27]
При деформировании металла его пластическая деформация может развиваться не только за счет скольжения, но и за счет двойникования. Это происходит при действии на металл ударных нагрузок и характерно для металлов с ромбической и тетрагональной решеткой. Процесс двойникования ( см. рис. 15.2, б) состоит в смещении группы атомов относительно плоскости а - а, называемой плоскостью двойникования, в результате которого часть кристаллита занимает положение, зеркально отражающее положение его недеформированной части. [29]
По мере увеличения фронтального давления и скорости деформации, роль двойникования растет, так как двойникование является более предпочтительным по времени ( более быстрым) механизмом релаксации напряжений. Время релаксации для механизма двойникования в железе ( стали) имеет порядок 10 - 8 с. Для начала процесса двойникования нужны значительно большие напряжения, чем для скольжения, но далее процесс будет идти при меньших усилиях. Наиболее часто двойникование встречается в металлах с ОЦК-решеткой, а его развитию способствует увеличение скорости деформации. Значительное влияние на интенсивность двойникования оказывает предварительное деформирование материала, нагружаемого ударной волной: чем сильнее деформирование зерен при прокатке или ином виде термомеханической обработки металла, тем меньше количество двойникующихся зерен во фронте ударной волны. [30]
Двойникование происходит по наклонным плоскостям 111, обращенным к расплаву и определяющим форму фронта роста. Кристаллизация на наклонных гранях 111 происходит послойно и сопровождается периодическим изменением высоты видимой границы раздела фаз в местах проявления октаэдрических граней. Двойникование в монокристаллических стержнях замечено по той наклонной грани 111, послойный рост которой идет в направлении 211 с наименьшей тангенциальной скоростью роста. После двойникования наклонная грань 111 зарастает в направлении типа 211 с наибольшей тангенциальной скоростью роста. [3]
Двойникование может вносить существенный вклад в общую пластическую деформацию металла. [4]
Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. По сравнению со скольжением двойникование имеет меньшее значение. В металлах с ГЦК и ОЦК-решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформирования и низких температурах. [5]
Двойникование может рассматриваться как следствие вторичного зародышеобразования, подчиненного структурному контролю со стороны межслоевого катиона. Благоприятствует вторичному зародышеобразованию склонность фторфлогопитового расплава к переохлаждению. Более одной трети кристаллов, полученных из расплава, составляют двойники. В кристаллах фтор-флогопита, выращенных из расплавов, иногда встречается несколько микродвойников в пределах одной чистой пластины, что свидетельствует о существенном изменении условий роста в течение времени образования даже одного кристалла. [6]
Двойникование часто встречается в металлах с гексагональной и гранецентрированной кубической решеткой. Области сдвигов при двойниковании включают множество атомных слоев. В результате двойникования возникают двойниковые полосы, внутри которых расположение атомов является зеркальным отражением структуры решетки соседних частей кристалла. Если при скольжении металлы упрочняются ( наклепываются), то при двойниковании они обычно разупрочняются. [8]
Двойникование при низких температурах наблюдается также в ГЦК-металлах [5, 112] и особенно важную роль оно играет в процессе пластической деформации ГПУ-металлов [17, 113], имеющих ограниченное число систем скольжения, что затрудняет релаксацию концентраторов напряжений, следовательно, способствует началу двойникования. [9]
Двойникование , фазовый переход или изменение ориентации возможны при гетерогенном простом перемещении молекулярных цепей. [11]
Двойникование хорошо получается при деформации многих металлов и минералов, в частности кальцита. [12]
Двойникование , которое можно выявить изменением направления электрического поля, называют электрическим двойникованием, тогда как двоиникование, обнаруживаемое при изучении в скрещенных поляроидах, называют оптическим двойникованием. Кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии, являются пьезоэлектрическими. У большинства пьезоэлектрических кристаллов наблюдается электрическое двоиникование, а у других кристаллов без центра симметрии возникает оптическое двоиникование. [13]
Двойникование может происходить, когда двойник по ориентации ближе к текстуре, чем последняя к растущему кристаллу. [14]
Читайте также: