Полосы скольжения или следы растяжения — это локализованные полосы пластической деформации в металлах, испытывающих напряжения. Образование полос скольжения указывает на концентрированное однонаправленное скольжение на определенных плоскостях, вызывающее концентрацию напряжений. Обычно полосы скольжения вызывают поверхностные ступеньки (например, шероховатость из-за постоянных полос скольжения при усталости) и концентрацию напряжений, которая может быть местом зарождения трещин. Полосы скольжения распространяются до тех пор, пока не столкнутся с границей, и генерируемое напряжение от скопления дислокаций на этой границе либо остановит, либо передаст рабочее скольжение в зависимости от его (неправильной) ориентации.
Образование полос скольжения в циклических условиях рассматривается как устойчивые полосы скольжения (PSB), где образование в монотонном состоянии рассматривается как дислокационные плоские массивы (или просто полосы скольжения, см. раздел Полосы скольжения при отсутствии циклической нагрузки). Полосы скольжения можно просто рассматривать как граничное скольжение из-за скольжения дислокаций, которое лишено (сложности) высокой локализации пластической деформации PSB, проявляющейся в выдавливании в виде языка и ленты. И, где PSB обычно изучаются с (эффективным) вектором Бюргерса, выровненным с плоскостью выдавливания, поскольку PSB простирается поперек зерна и обостряется во время усталости; монотонная полоса скольжения имеет вектор Бюргерса для распространения и другой для плоскостных выдавливаний, оба из которых контролируются условиями на кончике.
Стойкие полосы скольжения (PSB)
Стойкие полосы скольжения (PSB) связаны с локализацией деформации из-за усталости металлов и трещин в одной плоскости. Просвечивающая электронная микроскопия (TEM) и трехмерное моделирование дискретной динамики дислокаций (DDD) использовались для выявления и понимания типа дислокаций и их расположения/паттернов, чтобы связать их с подповерхностной структурой. PSB – лестничная структура – образована в основном из каналов низкой плотности подвижных скользящих винтовых сегментов дислокации и стенок высокой плотности сегментов дипольных краевых дислокаций, сложенных спутанным выгибающимся краевым сегментом и различными размерами дипольных петель, разбросанных между стенками и каналами.
Один тип дислокационной петли образует границу полностью закрытого участка скользящего материала на плоскости скольжения, которая заканчивается на свободной поверхности. Расширение полосы скольжения: винтовая дислокация может иметь достаточно высокое разрешенное напряжение сдвига для скольжения по более чем одной плоскости скольжения. Может произойти поперечное скольжение. Но это оставляет некоторые сегменты дислокации на исходной плоскости скольжения. Дислокация может перекрестно скользить обратно на параллельную первичную плоскость скольжения. где она образует новый источник дислокации, и процесс может повториться. Эти стенки в PSB представляют собой форму «дипольной дисперсии» стабильного расположения краевых дислокаций с минимальным полем дальнего напряжения, которое имеет минимальное поле дальнего напряжения. [необходимо разъяснение] Это отличается от полос скольжения, которые представляют собой плоскую стопку стабильного массива, имеющего сильное поле дальнего напряжения. [необходимо разъяснение] Таким образом, — на свободной поверхности — разрез и открытие (устранение) дислокационных петель на поверхности вызывают необратимый/устойчивый поверхностный скачок, связанный с полосами скольжения.
Рельеф поверхности посредством экструзии происходит по направлению вектора Бюргера, а высота экструзии и глубина PSB увеличиваются с толщиной PSB. PSB и плоские стенки параллельны и перпендикулярны нормальному направлению критического разрешенного напряжения сдвига соответственно. И как только дислокация насыщается и достигает своей сидячей конфигурации, наблюдалось зарождение и распространение трещин вдоль экструзии PSB. Подводя итог, в отличие от дефектов 2D-линии, поле на кончике полосы скольжения обусловлено трехмерными взаимодействиями, где экструзия полосы скольжения имитирует дислокацию в виде раковины, расцветающую вдоль оси полосы скольжения. Величина поля градиентной деформации перед полосой скольжения зависит от высоты скольжения, а механические условия распространения зависят от дальнего поля испускаемых дислокаций. Поверхностная маркировка, или полоса скольжения, появляется на пересечении активной плоскости скольжения и свободной поверхности кристалла. Скольжение происходит в лавинах, разделенных во времени. Лавины из других систем скольжения, пересекающие плоскость скольжения, содержащую активный источник, привели к наблюдаемым ступенчатым следам на поверхности, при этом последовательные лавины из данного источника смещались относительно друг друга.
Дислокации генерируются на одной плоскости скольжения Они указывают, что сегмент дислокации (источник Франка–Рида), лежащий в плоскости скольжения и закрепленный на обоих концах, является источником неограниченного числа петель дислокации. Таким образом, можно понять группировку дислокаций в лавину из тысячи или около того петель на одной плоскости скольжения. Каждая петля дислокации имеет поле напряжений, которое противодействует приложенному напряжению в окрестности источника. Когда будет сгенерировано достаточное количество петель, напряжение в источнике упадет до значения настолько низкого, что дополнительные петли не смогут образоваться. Только после того, как исходная лавина петель переместится на некоторое расстояние, может возникнуть другая лавина.
Генерация первой лавины в источнике легко понять. Когда напряжение в источнике достигает r*, петли генерируются и продолжают генерироваться до тех пор, пока обратное напряжение не остановит лавину. Вторая лавина не произойдет немедленно в поликристаллах, поскольку петли в первой лавине останавливаются или частично останавливаются на границах зерен. Только если внешнее напряжение существенно увеличивается, будет сформирована вторая лавина. Таким образом, можно понять образование дополнительных лавин с ростом напряжения.
Осталось объяснить смещение последовательных лавин на небольшую величину нормали к плоскости скольжения, объяснив тем самым наблюдаемую тонкую структуру полос скольжения. Смещение такого типа требует перемещения источника Франка–Рида относительно поверхности, на которой наблюдаются полосы скольжения.
Работа по нанокомпрессии in situ в просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показывает, что деформация a-Fe в наномасштабе представляет собой неоднородный процесс, характеризующийся серией коротких всплесков смещения и прерывистых больших всплесков смещения. Серия коротких всплесков соответствует коллективному движению дислокаций внутри кристалла. Большие одиночные всплески происходят от ПС, зародившихся на поверхности образца. Эти результаты предполагают, что образование ПС можно рассматривать как процесс пластичности, ограниченный источником. Первоначальная пластическая деформация характеризуется размножением/движением нескольких дислокаций на короткие расстояния из-за наличия источников дислокаций внутри нанолезвия. Как только она достигает стадии, на которой подвижные дислокации вдоль предпочтительных плоскостей скольжения переместились через нанолезвие или запутались в сидячих конфигурациях, и дальнейшее движение дислокаций внутри кристалла затруднено, пластичность осуществляется путем образования ПС, которые зарождаются с поверхности, а затем распространяются через нанолезвие.
Фишер и др. предположили, что SB динамически генерируются из источника Франка-Рида на поверхности образца и прекращаются собственным полем напряжений в монокристаллах. Поведение скачка смещения, о котором сообщили Кинер и Майнор при сжатии наностолбиков монокристалла Cu. Очевидно, подавляло прогресс зубчатой текучести (серия коротких скачков деформации) по сравнению с таковым без спинодальной наноструктуры. Результаты показали, что во время деформации сжатия спинодальная наноструктура ограничивала движение дислокаций (что приводило к значительному увеличению плотности дислокаций), вызывая заметный эффект укрепления, а также сохраняла морфологию полосы скольжения плоской.
Активность дислокаций способствует росту выделений аустенита и предоставляет количественные данные для выявления поля напряжений, создаваемого миграцией интерфейса. Прерывистый характер скорости перемещения кончика, вероятно, обусловлен накоплением и релаксацией поля напряжений вблизи кончика. После выхода из кончика петля дислокации быстро расширяется впереди кончика, таким образом, изменение скорости кончика сопровождается испусканием дислокации. Это указывает на то, что испускаемая дислокация сильно отталкивается полем напряжений, присутствующим на кончике рейки. Когда петля встречается с поверхностью фольги, она распадается на два сегмента дислокации, которые оставляют видимый след из-за наличия тонкого оксидного слоя на поверхности. Испускание петли дислокации из кончика также может влиять на скорость перемещения кончика посредством взаимодействия между локальной петлей дислокации и возможными интерфейсными дислокациями в полукогерентном интерфейсе, окружающем кончик. Следовательно, кончик временно остановился. Чистое касательное напряжение, действующее на каждую дислокацию, является результатом комбинации поля напряжений на вершине рейки (τtip), напряжения изображения, стремящегося притянуть петлю дислокации к поверхности (τimage), линейного натяжения (τl) и напряжения взаимодействия между дислокациями (τinter). Это означает, что поле напряжений, вызванное превращением аустенита, достаточно велико, чтобы вызвать зарождение и испускание дислокаций из вершины рейки аустенита.
Полосы скольжения при отсутствии циклической нагрузки
Хотя неоднократное реверсирование нагрузки обычно приводит к локализации скольжения дислокаций, создавая линейные экструзии и интрузии на свободной поверхности, аналогичные явления могут возникать даже при отсутствии реверса нагрузки. Они возникают в результате скольжения дислокаций по определенной плоскости скольжения в определенном направлении (внутри одного зерна) под действием внешней нагрузки. Ступени на свободной поверхности могут создаваться вследствие стремления дислокаций следовать одна за другой по скользящей дорожке, которых в рассматриваемом зерне может быть несколько, параллельных друг другу. Предварительное прохождение дислокаций, по-видимому, облегчает скольжение последующих, причем эффект также может быть связан с источниками дислокаций, например источником Франка-Рида, действующими в определенных плоскостях.
Внешний вид таких полос, которые иногда называют «устойчивыми линиями скольжения», похож на тот, который возникает при циклической нагрузке, но полученные ступени обычно более локализованы и имеют меньшую высоту. Они также выявляют структуру зерна. Их часто можно увидеть на свободных поверхностях, которые были отполированы до того, как произошла деформация. Например, на рисунке показаны микрофотографии (сделанные с разным увеличением) области вокруг отпечатка, созданного в образце меди сферическим индентором. Параллельные линии внутри отдельных зерен являются каждая результатом нескольких сотен дислокаций одного и того же типа, достигающих свободной поверхности, создавая ступени высотой порядка нескольких микрометров. Если внутри зерна функционировала одна система скольжения, то есть только один набор линий, но обычно внутри зерна активируется более одной системы (особенно когда деформация относительно высока), что приводит к двум или более наборам параллельных линий. Другие особенности, указывающие на детали того, как происходила пластическая деформация, такие как область кооперативного сдвига, вызванного деформационным двойникованием, также иногда можно увидеть на таких поверхностях. На показанной оптической микрофотографии также имеются свидетельства поворотов зерен — например, на «ободе» отпечатка и в виде углублений на границах зерен. Таким образом, такие изображения могут быть очень информативными.
Природа локального поля нециклической полосы скольжения
Поле деформации в полосе скольжения возникает из-за трехмерных упругих и пластических деформаций, при которых концентрированный сдвиг кончика полосы скольжения деформирует зерно поблизости. Упругие деформации описывают концентрацию напряжений перед полосой скольжения, что важно, поскольку может влиять на перенос пластической деформации через границы зерен. Понимание этого необходимо для поддержки изучения текучести и меж/внутризеренного разрушения. Концентрированный сдвиг полос скольжения также может зародить трещины в плоскости полосы скольжения, а в условиях циклического нагружения могут также образовываться стойкие полосы скольжения, которые приводят к зарождению и росту внутризеренных усталостных трещин. Чтобы правильно охарактеризовать полосы скольжения и подтвердить механистические модели их взаимодействия с микроструктурой, крайне важно количественно оценить поля локальной деформации, связанные с их распространением. Однако полосам скольжения внутри зерен (т.е. при отсутствии зернограничного взаимодействия) уделялось мало внимания.
Поле дальних напряжений (т. е. поле упругой деформации) вокруг кончика концентратора напряжений, такого как полоса скольжения, можно считать сингулярностью, эквивалентной сингулярности трещины. Эту сингулярность можно количественно определить с помощью интеграла, независимого от пути, поскольку она удовлетворяет законам сохранения упругости. Законы сохранения упругости, связанные с трансляционной, вращательной и масштабной симметриями, были первоначально выведены Ноулзом и Стернбергом из теоремы Нётер. Будянский и Райс ввели J-, M-, L-интегралы и первыми дали им физическую интерпретацию как скорости высвобождения энергии деформации для таких механизмов, как распространение полости, одновременное равномерное расширение и вращение дефекта соответственно. При оценке по поверхности, которая охватывает дефект, эти интегралы сохранения представляют собой конфигурационную силу на дефекте. Эта работа проложила путь для области конфигурационной механики материалов, с независящим от пути J-интегралом, который теперь широко используется для анализа конфигурационных сил в таких разнообразных задачах, как динамика дислокаций, несоответствующие включения, распространение трещин, сдвиговая деформация глин и копланарное зарождение дислокаций из нагруженных сдвигом трещин. Интегралы были применены к линейным упругим и упругопластичным материалам и были связаны с такими процессами, как термическое и электрохимическое нагружение и внутренние тяги. В последнее время экспериментальные исследования механики разрушения использовали полномасштабные измерения in situ смещений и упругих деформаций для оценки локального поля деформации, окружающего вершину трещины, как J-интеграла.
Полосы скольжения образуются из-за пластической деформации, и анализ силы на дислокации учитывает двумерную природу дефекта линии дислокации. Общие определения конфигурационной силы Пича–Кёлера (𝑃𝑘𝑗) (или тензора упругой энергии-импульса ) на дислокации в произвольной системе координат 𝑥1, 𝑥2, 𝑥3 разлагают вектор Бюргерса (𝑏) на ортогональные компоненты. Это приводит к обобщенному определению J-интеграла в уравнениях ниже. Для скопления дислокаций J-интеграл представляет собой сумму конфигурационной силы Пича–Кёлера дислокаций в скоплении (включая внеплоскостные, 𝑏3 ).
𝐽𝑘 = ∫ 𝑃𝑘𝑗 𝑛𝑗 𝑑𝑆 = ∫(𝑊𝑠 𝑛𝑘− 𝑇𝑖 𝑢𝑖,𝑘) 𝑑𝑆
𝐽𝑘𝑥 = 𝑅𝑘𝑗 𝐽𝑗, 𝑖,𝑗,𝑘=1,2,3
где 𝑆 — произвольный контур вокруг скопления дислокаций с единичной внешней нормалью 𝑛𝑖, 𝑊𝑠 — плотность энергии деформации, 𝑇𝑖 = 𝜎𝑖𝑗 𝑛𝑗 — натяжение на 𝑑𝑆, 𝑢𝑖 — компоненты вектора смещения, 𝐽𝑘𝑥 — 𝐽-интеграл, вычисленный вдоль направления 𝑥𝑘, а 𝑅𝑘𝑗 — тензор отображения второго порядка, который отображает 𝐽𝑘 в 𝑥𝑘 направление. Этот векторный 𝐽𝑘-интеграл приводит к численным трудностям в анализе, поскольку 𝐽2 и для трехмерной полосы скольжения или наклонной трещины членами 𝐽3 пренебречь нельзя.