В материаловедении скольжение — это большое смещение одной части кристалла относительно другой части вдоль кристаллографических плоскостей и направлений. Скольжение происходит за счет прохождения дислокаций по плотноупакованным плоскостям, которые представляют собой плоскости, содержащие наибольшее количество атомов на площадь, и в плотноупакованных направлениях (большинство атомов на длину). Плотноупакованные плоскости известны как плоскости скольжения или плоскости скольжения. Система скольжения описывает набор симметрично идентичных плоскостей скольжения и связанное с ними семейство направлений скольжения, для которых легко может возникнуть движение дислокаций, приводящее к пластической деформации. . Величина и направление скольжения представлены вектором Бюргерса, b.
Внешняя сила заставляет части кристаллической решетки скользить друг по другу, изменяя геометрию материала. Для начала скольжения требуется критическое разрешенное напряжение сдвига.
Скользящие системы
Гранецентрированные кубические кристаллы
Скольжение в гранецентрированных кубических (ГЦК) кристаллах происходит вдоль плотноупакованной плоскости. В частности, плоскость скольжения имеет тип {111}, а направление — тип <110>. На диаграмме справа конкретная плоскость и направление — (111) и [110] соответственно.
Учитывая перестановки типов плоскостей скольжения и типов направлений, ГЦК-кристаллы имеют 12 систем скольжения. В ГЦК-решетке норму вектора Бюргерса b можно рассчитать с помощью следующего уравнения:
Где a — постоянная решетки элементарной ячейки.
Объемноцентрированные кубические кристаллы
Скольжение в объемноцентрированных кубических (ОЦК) кристаллах происходит также и по плоскости кратчайшего вектора Бюргерса; однако, в отличие от ГЦК, в кристаллической структуре ОЦК нет истинно плотноупакованных плоскостей.
Таким образом, для активации системы скольжения в ОЦК требуется тепло.
Некоторые ОЦК-материалы (например, α-Fe) могут содержать до 48 систем скольжения.
Имеется шесть плоскостей скольжения типа {110}, каждая с двумя направлениями <111> (12 систем). Имеется 24 плоскости {123} и 12 плоскостей {112} каждая с одним направлением <111> (36 систем, всего 48). Хотя количество возможных систем скольжения в кристаллах ОЦК намного выше, чем в кристаллах ГЦК, пластичность не обязательно выше из-за повышенных напряжений трения решетки.
Хотя плоскости {123} и {112} не совсем идентичны по энергии активации {110}, они настолько близки по энергии, что по сути их можно рассматривать как идентичные.
На диаграмме справа конкретная плоскость и направление скольжения — (110) и [111] соответственно.
Гексагональные плотноупакованные кристаллы
Скольжение в гексагональных плотноупакованных (ГПУ) металлах гораздо более ограничено, чем в кристаллических структурах ОЦК и ГЦК. Обычно кристаллические структуры ГПУ допускают скольжение по плотноупакованным базальным плоскостям {0001} вдоль направлений <1120>.
Активация других плоскостей скольжения зависит от различных параметров, например, соотношения c/a.
Поскольку на базальных плоскостях есть только 2 независимые системы скольжения, для произвольной пластической деформации необходимо активировать дополнительные системы скольжения или двойниковые системы. Обычно это требует гораздо более высокого разрешенного напряжения сдвига и может привести к хрупкому поведению некоторых ГПУ-поликристаллов. Однако другие ГПУ-материалы, такие как чистый титан, демонстрируют большую пластичность.
Кадмий, цинк, магний, титан и бериллий имеют плоскость скольжения {0001} и направление скольжения <1120>. Это создает в общей сложности три системы скольжения, в зависимости от ориентации. Возможны и другие комбинации.
В кристаллах существуют два типа дислокаций, которые могут вызывать дислокации скольжения: краевые и винтовые. Краевые дислокации имеют направление вектора Бюргерса перпендикулярно линии дислокации, а винтовые дислокации имеют направление вектора Бюргерса параллельно линии дислокации. Тип образующихся дислокаций во многом зависит от направления приложенного напряжения, температуры и других факторов. Винтовые дислокации могут легко перескакивать из одной плоскости в другую, если другая плоскость скольжения содержит направление вектора Бюргерса.
Скользящая полоса
Образование полос скольжения указывает на концентрированное однонаправленное скольжение в определенных плоскостях, вызывающее концентрацию напряжений. Обычно полосы скольжения вызывают появление на поверхности ступенек (т.е. шероховатости из-за постоянных полос скольжения во время усталости) и концентрации напряжений, которые могут стать местом зарождения трещин. Полосы скольжения расширяются до тех пор, пока не столкнутся с границей, и напряжение, создаваемое скоплением дислокаций на этой границе, либо остановит, либо передаст рабочее скольжение.
Формирование полос скольжения в циклических условиях рассматривается как полосы постоянного скольжения (ПСБ), а образование в монотонных условиях рассматривается как плоские массивы дислокаций (или просто полосы скольжения). Полосы скольжения можно просто рассматривать как граничное скольжение из-за скольжения дислокаций, в котором отсутствует (сложность) высокая локализация пластической деформации PSB, проявляющаяся язычковым и лентообразным выдавливанием. И там, где PSB обычно изучаются с (эффективным) вектором Бюргера, совмещенным с плоскостью экструзии, поскольку PSB распространяется поперек волокон и усиливается при усталости; монотонная полоса скольжения имеет вектор Бюргера для распространения и другой для плоского выдавливания, оба из которых контролируются условиями на кончике.
Идентификация активности скольжения
Основные методы идентификации активной системы скольжения включают либо анализ следов скольжения монокристаллов или поликристаллов с использованием дифракционных методов, таких как дифракция нейтронов и анализ упругой деформации дифракции обратного рассеяния электронов с высоким угловым разрешением, либо дифракционное изображение дислокаций с помощью просвечивающей электронной микроскопии.
При анализе следов скольжения измеряется только плоскость скольжения и определяется направление скольжения. Например, в цирконии это позволяет идентифицировать активность скольжения в базальной плоскости, призме или пирамидальной плоскости 1-го/2-го порядка. В случае пирамидального плоского следа 1-го порядка скольжение может происходить либо в 〈𝑎〉, либо в 〈𝑐 + 𝑎〉 направлениях; Анализ следов скольжения не может отличить их друг от друга.
В исследованиях, основанных на дифракции, измеряется остаточное содержание дислокаций вместо сместившихся дислокаций, что является лишь хорошим приближением для систем, которые накапливают сети геометрически необходимых дислокаций, таких как гранецентрированные кубические поликристаллы. В кристаллах с низкой симметрией, таких как гексагональный цирконий, могут существовать области преимущественно одиночного скольжения, где геометрически необходимые дислокации не обязательно могут накапливаться. По остаточному дислокационному содержимому не различают скользящие и сидячие вывихи. Скользящие дислокации способствуют скольжению и упрочнению, а сидячие — только скрытому упрочнению.
Дифракционные методы обычно не могут определить плоскость скольжения остаточной дислокации. Например, в Zr винтовые компоненты дислокаций 〈𝑎〉 могут скользить по призматическим, базальным или пирамидальным плоскостям 1-го порядка. Аналогично, винтовые дислокации 〈𝑐 + 𝑎〉 могут скользить по пирамидальным плоскостям как 1-го, так и 2-го порядка.
