книги / Физическая природа пластической деформации

двойникования являлась основанием призмы. Направление сдвига при двойниковании совпадало с направлением ребра призмы; Ра­ бочими образцами служили призмы размером 15 X 6 X 2. Дефор­

клиновидная двойниковая прослойка, растущая с увеличением нагрузки.

Типичная картина возникновения, роста и исчезновения упру­ гого двойника на различных этапах нагрузки и разгрузки одного и того же кристалла показана на рис. 3 [13]. Одновременно с изме­ нением длины двойника изменяются и другие его геометрические параметры — ширина и толщина. Однако наблюдение за ростом

двойника в металлах не позволяет проследить за изменением всех трех его размеров одновременно, так как для этого необходимо вести наблюдение в различных плоскостях. В опытах по упругому двойникованию висмута была получена зависимость длины упру­ гого двойника от нагрузки (рис. 4). Зависимость ширины от нагруз­ ки (рис. 5) определена из наблюдений за ростом упругого двойника на плоскости спайности монокристаллов сурьмы, деформирован­ ных изгибом при комнатной температуре. Схема такого опыта по­ казана на рис. 2, б (ширина упругого двойника обозначена В).

Из рис. 4 и 5 следует, что длина и ширина упругого двойника изменяются по линейному закону; это хорошо согласуется с резуль­ татами работы [14], полученными для упругих двойников каль­ цита.

Как видно из кривых, упругий двойник возникает тогда, когда нагрузка, приложенная к кристаллу, достигает некоторого конеч­ ного значения. Величина начальной нагрузки меняется от образца к образцу. Это связано с тем, что в обычных условиях в кристалле отсутствуют двойникующие дислокации. Для их возникновения необходимо создать в кристалле напряжения, близкие к значениям теоретической прочности на сдвиг. Такие напряжения могут воз­ никать вблизи концентраторов. В зависимости от характера кон­ центратора необходимое напряжение создается при различных зна­ чениях нагрузки. Чтобы возникшая двойникующая дислокация начала двигаться в плоскости двойникования, напряжение в этой плоскости должно превышать суммарную силу торможения

двойникующей дислокации — силу трения и силу поверхностного натяжения [8].

Кривая увеличения и уменьшения размеров упругого двойника при нагружении и разгружении кристалла висмута характеризу­ ется наличием гистерезиса. При уменьшении нагрузки двойник вначале не меняет своих размеров, затем при некоторой нагрузке длина и ширина его начинают уменьшаться и при нагрузке равной нулю двойник исчезает. Гистерезис размеров упругого двойника был предсказан теоретически [8] и наблюдался ранее в кальците [16].

ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ НА КИНЕТИКУ УПРУГОГО ДВОЙНИКОВАНИЯ

Влияние дефектов кристаллической решетки на упругое двойникование изучалось путем наблюдения за ростом двойника на пло­ скости спайности сурьмы, предварительно протравленной перед опы­ том. Двойникование кристаллов сурьмы осуществлялось по схеме рис. 2, б. При травлении легко выявляется картина распределения дислокаций. Плотность дислокаций в разных участках кристалла оказалась различной. Различным оказалось и поведение упругих двойников в этих областях. Так, двойники, возникающие в участ­ ках кристалла с плотностью дислокаций 106—107 см~2 после сня­ тия нагрузки всегда остаются в кристалле, не проявляя упругих свойств. Упругие двойники наблюдаются преимущественно в об­ ластях, где плотность дислокаций невелика и двойниковый клин, как правило, движется вдоль узкой области материнского кри­ сталла, свободной от дислокаций. Интересны детали преодоления упругим двойником малоугольных границ. Такие границы весьма распространены в кристалле, и встреча двойника с ними происхо­ дит очень часто. Наблюдались границы с углами дезориентации между блоками от 5' до 30" (углы оценивались по плотности дислокаций на границе).

Двойники преодолевают такие границы одинаково легко, од­ нако они по-разному теряют при этом свои упругие свойства. Упру­

образом преодолевать эти границы, исчезая из кристалла при раз­ грузке. Границы между блоками с угловой дезориентацией 3' и боль­ ше являются жесткими, и упругий двойник всегда заклинивается на них. Так как плотности дислокаций в межблочных стенках границ

упругого двойника определяются характером действующей на кри­ сталл внешней нагрузки. Монотонное изменение внешней силы при­ водит к плавному росту двойника, что хорошо видно из рис. 5 и 6. Однако иногда наблюдаются случаи, когда эта закономерность на­ рушается. Плавно растущая прослойка вдруг резким скачком из­ меняет свои размеры, а затем снова развивается обычным образом. В подобных случаях упругий двойник, по-видимому, встречается с внутренним дефектом, являющимся концентратором напряжений, резко увеличивающим сдвиговые напряжения в плоскости двойникования, в результате чего происходит скачок в изменении разме­ ров двойника.

ЗАКЛИНИВАНИЕ УПРУГИХ ДВОЙНИКОВ В МЕТАЛЛАХ

Опыт показывает, что вызывать упругий двойник в кристалле можно многократно. При малых нагрузках число циклов нагруже­ ния и разгрузки кристалла, при которых возникший двойник не те­ ряет своих упругих свойств, достаточно велико. Однако наступает момент, когда упругая прослойка, потеряв сначала частично, а за­ тем и полностью свою упругость, заклинивается в кристалле. Часто наблюдается заклинивание упругой прослойки и при одно­ кратном ее появлении. В этом случае после снятия нагрузки двой­ ник не исчезает полностью, а только уменьшается в длину, остав­ шаяся часть его превращается в заклинившийся двойник. По мере увеличения нагрузки величина упругой части уменьшается.

Существенную роль в заклинивании упругих двойников играет скольжение, сопутствующее двойникованию. Хотя в висмуте сколь­ жение при температуре жидкого азота значительно затруднено, тем не менее, особенно при больших нагрузках, оно происходит. Кристаллы висмута выращивались так, что плоскость двойникования была не строго перпендикулярна поверхности образца, на ко­ торую давил нагружающий нож. Это облегчало образование полос скольжения. В том объеме кристалла, где скольжение было интен­ сивным, не удавалось получить упругие двойники. Двойники ока­ зывались полностью заклинившимися или же после снятия нагруз­ ки лишь немного сокращались в длину и оставались в кристалле. Влияние скольжения на упругое двойникование хорошо видно из рис. 6.

Потеря упругих свойств двойником при повторении цикла на­ грузка— разгрузка свидетельствует, по-видимому, о том, что в кри­

зе

сталлической решетке, подвергшейся многократной перестройке, в процессе упругого двойникования происходит накопление дефек­ тов, заклинивающих упругий двойник. Процесс заклинивания обыч­ но начинается гораздо раньше, чем наступает стадия грубого сколь­ жения. Попытки обнаружить дефекты, оставляемые упругим двой­ ником в кристалле сначала на кальците [18], а затем на сурьме [19], оказалиЬь безрезультатными.

Исследование, проведенное нами на кристаллах сурьмы, по­ зволило установить, что материнская решетка, после исчезновения из нее упругого двойника, является весьма несовершенной. Трав­ ление обнаруживает в этой области цепочку ямок, выявляющих дислокации, вызванные исчезнувшим двойником. Это хорошо иллю­ стрируется рис. 7, отражающим типичную картину последователь­ ных этапов двойникования сурьмы. Наблюдение и фотографирова­ ние этих картин (рис. 7, а—в) проводилось на предварительно про­ травленной плоскости спайности (первое травление). Для травле­ ния использовался кислотный травитель, состоящий из 14 частей СН3СООН, двух частей концентрированной HN03 и одной части HF. Время травления 5—10 сек. Детальное изучение дислокационных цепочек позволило установить ряд интересных фактов. Оказалось, что распределение дислокаций в цепочке зависит от того, насколько совершенным является участок кристалла, в котором распростра­ няется упругий двойник. Обычно дислокации в цепочке распреде­ ляются равномерно, если двойник двигался по бездислокационному участку кристалла. Однако, когда он проходит через локальные скопления полных дислокаций, равномерность распределения на­ рушается. Плотность ямок в цепочке у скоплений большая, чем вдали от них. Многократное упругое двойникование одного и того же места кристалла увеличивает плотность дислокаций в цепочке. Интересно было выяснить, изменится ли характер дефектов в це­ почке при заклинивании двойника. Путем очень осторожного уширения упругого двойника удалось уловить момент его заклинива­ ния. При этом толщина прослойки минимально отличалась от той, при которой она была еще полностью упругой. Затем кристалл раздвойниковывался и протравливался. Типичные фотографии по­ добных опытов приведены на рис. 8. Плотность дислокаций в месте, где находился заклинившийся двойник, оказывается на порядок

ных дислокаций, зародившихся на границе материнского кристал­

ла и двойника в плоскости (111) с подходящими к ним двойникующими дислокациями [20, 21].

Исходя из описанных фактов, весьма просто можно описать картину заклинивания упругих двойников. Исчезновение упругого двойника при разгрузке образца осуществляется за счет выхода из кристалла двойникующих дислокаций под действием внутрен­ них упругих сил и неупругой силы поверхностного натяжения, действующей в носике двойника [8]. Эти силы стремятся вытолк­ нуть двойник из кристалла. Двойникующие дислокации испытыва­ ют при движении силу сопротивления кристаллической решетки, которая тем больше, чем дефектнее кристалл в той области, где распространяется двойник. Если сила трения превышает силы, вызывающие движение дислокации, двойникующая дислокация за­ стопорится, что равнозначно заклиниванию двойника.

Образовавшиеся в процессе упругого двойникования дислока­ ционные петли являются стопорами для двойникующих дислокаций. Двойник, видимо, может быть упругим лишь до тех пор, пока плот­ ность дислокаций, возникающих при его появлении в кристалле, невелика и они не могут внести существенного вклада в силу тре­ ния двойникующей дислокации. В этом случае наблюдается совер­ шенно четкая картина упругого двойникования.

Многократное повторение цикла двойникование — раздвойникование, как и любой другой процесс, приводящий к накоплению числа дислокаций в цепочке до определенной плотности (мы наблю­ дали заклинивание при р ~ 4 10Зсл*-1), увеличивает сиду тре­ ния до такой величины, при которой заклинивание упругого двой­ ника становится неизбежным. Это подтверждается нашими опытами.

РАВНОВЕСНАЯ ФОРМА ТОНКИХ

двойников

Двойники, возникающие на начальной стадии пластической де­ формации, являются очень тонкими. Отношение их толщины к дли­ не составляет обычно 10~2— 10_3. Закономерности развития таких двойников теоретически рассмотрены в дислокационной теории Косевича и Пастура [8, 9]. Поэтому, естественно, изучая начальную стадию двойникования кристаллов, пытаться найти соответствие между теоретическими выводами и экспериментальными результа­ тами.