в чем заключается механизм двойникования

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 <111>. 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.

Источник

В чем заключается механизм двойникования

В кристаллических твердых телах реализуются два основных типа пластической деформаций: двойникование и скольжение. Двойникование наиболее часто имеет место в ГПУ и ОЦК кристаллах [74]. При двойниковании происходит сдвиг определенных областей кристалла в положение, отвечающее зеркальному отражению несдвинутых областей (рис. 4.13). Сдвиг происходит относительно какой-либо благоприятным образом ориентированной к положительному напряжению τ кристаллографической плоскости, которая называется плоскостью двойникования.

Областью сдвига является вся сдвинутая часть кристалла. При двойниковании в области сдвига перемещение большинства атомов происходит на расстояния, меньшие межатомных, но в каждом атомном слое атомы сдвигаются на одно и то же расстояние по отношению к атомам нижележащего слоя.

При деформации путем скольжения одна часть кристалла перемещается в определенном направлении относительно другой вдоль какой-либо кристаллографической плоскости (рис. 4.14). Плоскость и направление скольжения образуют систему скольжения.

Рис. 4.13. Пластическая деформация двойникованием

Рис. 4.14. Пластическая деформация скольжением

Для каждой кристаллической решетки может существовать несколько плоскостей скольжения. Скольжение происходит так, что атомные слои не отделяются друг от друга, т. е. атомы в плоскости скольжения перемещаются на целое число трансляций и атомная структура сохраняется.

Эксперименты показали, что процесс скольжения является анизотропным, т. е. смещение атомных слоев в кристалле происходит не в направлении действующей силы, а по кристаллографическим плоскостям и направлениям, определенным геометрией структуры. В плоскостях скольжения наблюдается, как правило, наиболее плотная упаковка атомов. Элементарные смещения при скольжении в плотноупакованных структурах требуют наименьшей силы, поскольку они являются меньшими из возможных смещений в кристалле.

Рассмотрим пример ГЦК структуры. В ней существуют четыре плотноупакованные плоскости типа (111) (рис. 4.15, а). В каждой из них лежит по три направления скольжения. Следовательно, имеется 12 основных систем скольжения.

В кристаллах с ОЦК структурой (рис. 4.15, б) основными плоскостями возможного скольжения являются плоскости типа (110) и имеется два направления скольжения с индексами [111] в этих плоскостях. Нетрудно видеть, что общее число основных систем скольжения, так же как и в случае ГЦК структуры, составляет 12.

Рис. 4.15. Основные плоскости и направления скольжения в решетках: а − ГЦК;
б − ОЦК; в − ГПУ [74]

Если в кристалле нет четкой направленности связей, то в них имеется большее число систем возможного скольжения, чем объясняется их значительная пластичность. Это справедливо для металлов с ГЦК решеткой, таких как алюминий Al, медь Cu, никель Ni, серебро A g и др.

При нагружении монокристаллического образца, имеющего несколько систем возможного скольжения, пластическая деформация начнется в той системе, которая наиболее благоприятным образом ориентирована относительно направления действующих напряжений. Если известна ориентация кристалла относительно направления действующих напряжений, то можно вычислить касательную (скалывающую) составляющую напряжений, при которой начинается пластическая деформация в некотором из возможных направлений.

Рис. 4.16. К выводу касательной составляющей напряжений

Из вышесказанного следует, что нормальные напряжения практически не оказывают влияние на пластическую деформацию. Она происходит под действием касательных (скалывающих) напряжений.

Пластическая деформация начинается в том случае, когда скалывающее напряжение превышает некоторое критическое значение, характерное для данного материала и данной системы скольжения. Критические напряжения деформации скольжения обычно значительно меньше критических напряжений деформации двойникования, поэтому первая встречается значительно чаще второй.

Источник

Модель деформации двойникованием.

Скольжение дислокации – не единственный механизм пластической деформации монокристалла. Деформация при повышенных скоростях и низких температурах может осуществляться двойникованием. При двойниковании кристаллит скачкообразно делится на две части, в которых решетка становится зеркально – симметричной относительно плоскости двойникования (рис. 5.10). Двойникование при растяжении монокристалла сопровождается характерным потрескиванием, а деформация протекает скачкообразно.

Двойникование – это механизм деформации преимущественно ГПУ- и ОЦК – кристаллов, роль которого сильно возрастает с увеличением скорости и (или) понижением температуры, так как при понижении температуры критическое напряжение сдвига увеличивается быстрее, чем критическое напряжение двойникования.

Двойникование приводит к изменению ориентации части кристалла и увеличению количества систем скольжения. В поликристаллических металлах выход дислокаций на поверхности зерен вызывает значительные локальные напряжения. При благоприятной ориентации плоскостей скольжения в смежных зернах может происходить не сдвиг, а двойникование. Примеси и легирующие добавки существенно влияют на механизм деформации. Например, фосфор и кремний сильно облегчают двойникование в железе даже при обычных температурах и скоростях деформации.

Механизм упрочнения.

Деформация монокристаллов приводит к увеличению плотности дислокаций. Казалось бы, что по мере деформации скольжение должно облегчаться. Однако опыт показывает, что истинное сопротивление деформации увеличивается.

Скольжение в плоскости S₃ большого количества дислокаций одного знака сильно искажает кристалл и увеличивает его внутреннюю энергию. По мере увеличения плотности дислокаций вблизи препятствия D движение новых дислокаций от источника R требует все больших напряжений. Поэтому открываются новые источники дислокаций R₁, R₂ и т.д. (с меньшей длиной дислокационной линии l и большим значением τ_кр), а дислокации получают возможность двигаться и в других плоскостях. Таким образом, по мере деформирования кристалла и повышения плотности сопротивление их движению все более увеличивается. Это явление называется упрочнением. Экспериментальные исследования показывают, что критическое касательное напряжение увеличивается пропорционально корню квадратному из плотности дислокаций:

Таким образом, пластическая деформация монокристаллов может осуществляться скольжением, двойникованием и сбросообразованием*. Скольжение происходит как направленное смещение дислокаций в плоскости скольжения. Этот механизм деформации является основным. Двойникование и сбросообразование имеют место только при определенных условиях, неблагоприятных для скольжения (низкие температуры и высокие скорости деформации). В процессе деформации в кристалле действуют источники дислокаций. При деформации число дислокаций в кристалле увеличивается, их движение затрудняется, в результате сопротивление деформации, т.е. при деформации кристалла происходит его упрочнение.

Источник

Пластическая деформация металлов двойникованием

Механизмы деформационного упрочнения.

Учебные и воспитательные цели:

деформация и деформационное упрочнение.

Время:2 часа (90 мин.).

Литература(основная и дополнительная):

З. Золоторевский В.С., Портной В.К. Механические свойства металлов. Часть 1.Статические испытания. Лабораторный практикум. М.: МИСиС. 1987. № 534.-143с..

4. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение термообработка и рентгенография. М. МИСиС, 1994, 480с.

5. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ впо УГТУ-УПИ. 2002.329с.

6. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.М. Наука, 1974г., 560с.

7. Фигуровский Д.К. Алиев Р.Т. Механические свойства и теория термической обработки металлов и сплавов. Практикум М.; МГУПИ. 2007г. 186с.

Учебно-материальное обеспечение:

Использование компьютерной техники для электронной призентации наглядных материалов лекции

ПЛАН ЛЕКЦИИ :

Введение– 5 мин. Теоретическое и прикладное значение вопросов пластической деформации и деформационного упрочнения.

Основная часть (учебные вопросы ) – до 80 мин.

1-й учебный вопрос. Механизм деформации двойникованием.

2-й учебный вопрос. Деформационное упрочнение поликристаллов.

3-й учебный вопрос. Особенности пластической деформации и

упрочнения твердых растворов и двухфазных сплавов.

Заключение – 5 мин. Выводы по прочитанной лекции. Ответы на вопросы студентов

Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Наиболее часто двойникование наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации, особенно в металлах с ГП и ОЦК решетками. В чистых ГЦК металлах деформация двойникованием происходит только при отрицательных температурах и высоких скоростях деформации.

Схема деформации образца при растяжении в результате образования двойников показана на рис. 2.10, б. Видно, что при двойниковании происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой вдоль определенной плоскости и направления двойникования. Плоскость двойникования – это обычно кристаллографическая плоскость с малыми индексами, которая является плоскостью симметрии двойникового образования относительно исходного кристалла.

В табл. 2.3 приведены эти плоскости и направления для металлов с разными решетками.

Наиболее часто двойникование происходит в ГП металлах, где число систем скольжения минимально, особенно при отношении c/a≥1,633. В неблагоприятно ориентированных для базисного скольжения монокристаллах и многих зернах поликристаллов приведенные напряжения сдвига, достаточные для двойникования, оказываются ниже тех напряжений, которые необходимы для небазисного скольжения.

Таблица 2.3. Кристаллографические плоскости и направления преимущественного двойникования

Тип кристалли- ческой решетки	Направление двойникования	Плоскость двойникования	Металл
ГЦК ОЦК ГП	<111> <112><102> <101> <112>	Cu, Ni a-Fe, Cr, Mo, W Mg, Zn, Be, Ti, Zr

Часто началу двойникования в ГП металлах предшествует скольжение. Результирующее повышение плотности дислокаций создает концентрацию напряжений в микрообъемах, достаточную для зарождения двойников. Это подтверждается хорошо известными фактами появления двойников при относительно низких напряжениях в поврежденных (например, погнутых) образцах. Иногда, наоборот, при неблагоприятной ориентировке ГП кристалла для базисного скольжения его деформация начинается с двойникования. При этом ориентировка базисных плоскостей может измениться таким образом, что в дальнейшем будет идти деформация скольжением.

Двойникование по одной плоскости не может обеспечить значительной пластической деформации металла. Это объясняется тем, что смещение атомов в каждой плоскости двойникования происходит только один раз и на доли межатомного расстояния.

В результате ГП металлы с c/a≥1,633 (Cd, Zn, Mg ), где действует в основном один тип плоскостей двойникования <1012>, не могут сильно деформироваться только за счет двойникования. С увеличением числа действующих плоскостей и направлений двойникования при переходе к ГП металлам с низким отношеннем c/a (Ti, Zr) величина пластической деформации двойникованием растет.

При металлографическом исследовании в световом и электронном микроскопах, каждый двойник деформации выявляется в виде двух параллельных полос (следов его пересечения с поверхностью излома, шлифа или фольги (рис. 2.21).

Внешне они похожи на двойники отжига, наблюдающиеся в металлах с рекристализованной структурой. Специфичным для двойников деформации является очень малая ширина полос (особенно в ОЦК металлах – обычно меньше 5мкм) и характерные сужения на концах (см. рис. 2.21). В поликристалле двойники никогда не переходят из одного зерна в другое. Обычно они заканчиваются внутри зерна, а если доходят до границы, то возникающие в месте этого стыка напряжения могут способствовать появлению двойника в соседнем зерне, где он будет иметь иную ориентировку.

Из-за высокой скорости двойникования выделение энергии деформации сопровождается характерными звуками. Например, олово и такие ГП металлы, как кадмий и цинк, потрескивают при изгибе.

Считается, что двойник растет за счет перемещения особых двойникующих дислокаций. Картину пластической деформации двойникованием изучают фактически только на макроуровне, наблюдая уже «готовые» двойники, число которых растет по мере увеличения степени деформации.

На боковых границах двойника с окружающей матрицей всегда образуется дефект упаковки. Границы эти являются когерентными, т.е. в расположении атомов по обе стороны имеется закономерная связь. Когерентные границы обладают относительно низкой энергией и высокой устойчивостью и сохраняются даже после высокотемпературного отжига.

Торцовые границы двойника являются обычно некогерентными.

Когерентным границам очень трудно мигрировать, и поэтому двойники растут не в ширину, а в длину и только в результате миграции некогерентных торцовых границ.

Кривые деформационного упрочнения при пластической деформации

двойникованием специфичны. Если деформация начнется путем скольжения, то будет происходить обычное деформационное упрочнение вплоть до точки а (рис. 2.22), по достижении которой образуется первый двойник. Вслед за ним почти моментально возникает много других (в это время как раз слышно потрескивание), и напряжение резко падает. Дальнейшая деформация двойникованием характеризуется зубчатостью диаграммы деформации и слабым упрочнением, которое может усилиться, если увеличится вклад скольжения.

Источник

В чем заключается механизм двойникования

Если двойник разделяется на несколько областей (несколько двойниковых прослоек), то его называют полисинтетическим. Две операции симметрии двойника эквивалентны, если они отличаются на операцию симметрии, входящую в группу симметрии кристалла. Например, в кристалле, имеющем центр инверсии, двойник отражения может быть аксиальным.

Двойники могут возникать:

1) при росте кристаллов в результате срастания закономерно разориентированных областей;

2) при рекристаллизации;

3) при механической деформации;

4) при фазовых превращениях в результате закономерного сопряжения разориентированных фаз.

Поскольку лазерными матрицами являются монокристаллы, двойникование при рекристаллизации в данном случае можно не рассматривать. Двойниковые сростки при достаточно хорошо отработанной технологии выращивания из расплава практически исключены. Двойниковые сростки кристаллов корунда наблюдаются в естественных

кристаллах и могут образовываться при спонтанной кристаллизации расплава или при выращивании из растворов. Такие сростки представляют собой двойники отражения с плоскостью двойникования и разориентацией областей двойника на Наиболее важными для кристаллов рубина, гранатов и алюминатов из перечисленных причин двойникования являются две последние.

Пластическая деформация с помощью двойникования приходит на смену трансляционному скольжению во многих кристаллах при понижении температуры. Чем сложнее кристаллическая структура, чем больше в ней векторы трансляции и векторы Бюргерса полных дислокаций, чем меньше температурный интервал пластичности, тем шире область температур, в которой на смену трансляционному скольжению может приходить двойникование. Образование двойника при деформации под действием механических напряжений можно представить как результат движения частичных дислокаций последовательно в каждой кристаллической плоскости, параллельной плоскости двойникования Движение частичной дислокации в данной кристаллической плоскости производит сдвиг части кристалла, находящейся над этой плоскостью, относительно части кристалла, находящейся под этой плоскостью на долю трансляции равной вектору Бюргерса частичной дислокации (рис. 5.7). Если расстояние между плоскостями, параллельными плоскости двойникования, равно а, то смещение плоскости, отстоящей от плоскости двойникования на расстояние, равное единице, есть -удельный сдвиг.

Геометрические характеристики двойника можно задать, мысленно вырезав в кристалле круг радиусом в плоскости, перпендикулярной и содержащей направление сдвига. В результате

двойникования по плоскости, проходящей через центр этого круга, сечение круга над плоскостью превращается в эллипс (рис. 5.8). На рис. 5.8 видны две точки пересечения эллипса и окружности. Очевидно, что в плоскостях перпендикулярных плоскости круга и проходящих через эти точки, позиции структурных единиц кристалла до и после двойникования совпадают. Одна из этих плоскостей совпадает с плоскостью двойникования и содержит направление сдвига

1 (направление двойникования). Плоскость содержит направление и составляет угол с плоскостью двойникования. Величина этого угла определяется удельным сдвигом Используя геометрические характеристики двойникования и можно разделить двойники на два типа:

При пластической деформации корунда трансляционное скольжение сменяется двойникованием при и проявляется до очень низких температур . В корунде наблюдаются два основных типа двойников с элементами двойникования:

Двойникование по плоскостям характеризуется меньшим удельным сдвигом и наблюдается при самых низких температурах.

Из-за относительно большого удельного сдвига двойникование по базису наблюдается в ограниченной температурной области.

Рис. 5.8. Эллипсоид двойникования

плоскопараллельными когерентными границами, либо клинья, границы которых некогеренгны, и их можно представить как ряды частичных дислокаций.

Для иттрий-алюминиевого граната двойники не являются характерным дефектом. Поскольку ИАГ имеет кубическую симметрию и его решетку можно представлять как сильно искаженную решетку шпинели, можно полагать, что в ИАГ плоскостью двойникования является плоскость То, что двойникование в гранате не распространено, можно объяснить отсутствием в этих кристаллах частичных дислокаций с малым вектором Бюргерса из-за сильного искажения анионной решетки граната по сравнению с решеткой шпинели. Следует заметить, что существующие в ИАГ (как и в корунде) дефекты упаковки можно представить как полисинтетические двойники толщиной в одно или несколько межплоскостных расстояний.

В кристаллах ИАП, имеющих орторомбическую симметрию, при радиальном градиенте температур возможны две причины возникновения термических напряжений:

1) радиальные напряжения растяжения (на периферии) и сжатия (в центре), возникающие из-за того, что внешние слои кристалла охлаждаются быстрее, чем внутренние;

2) напряжения, тоже вызванные радиальным градиентом температуры, но связанные с анизотропией радиального градиента термического расширения.

Коэффициенты термического расширения ИАП по осям приблизительно одинаковы, а по оси b коэффициент термического расширения существенно (более, чем в два раза) отличается от Поэтому при выращивании кристалла вдоль направления [001] из-за радиального градиента температуры возникают значительные напряжения, вызванные неравенством При выращивании кристаллов с осью роста (ось ) из-за приблизительного равенства радиальные градиенты температуры вызывают значительно меньшие напряжения, чем при выращивании вдоль оси [001] (ось с). Экспериментально показано [27, 28], что именно те напряжения, которые связаны с анизотропией коэффициента термического расширения, являются основной причиной двойникования в ИАП. Поэтому для устранения двойникования выращивание кристаллов ИАП проводится с осью роста в направлении

Источник