В материаловедении скольжение — это большое смещение одной части кристалла относительно другой части вдоль кристаллографических плоскостей и направлений. Скольжение происходит при прохождении дислокаций по плотно упакованным плоскостям, которые представляют собой плоскости, содержащие наибольшее количество атомов на площадь и в плотно упакованных направлениях (наибольшее количество атомов на длину). Плотно упакованные плоскости известны как скольжение или плоскости скольжения. Система скольжения описывает набор симметрично идентичных плоскостей скольжения и связанное с ними семейство направлений скольжения, для которых движение дислокации может легко происходить и приводить 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.
Системы скольжения
Гранецентрированные кубические кристаллы
Скольжение в гранецентрированных кубических (ГЦК) кристаллах происходит вдоль плотноупакованной плоскости. В частности, плоскость скольжения имеет тип {111}, а направление имеет тип <110>. На диаграмме справа конкретная плоскость и направление — (111) и [110] соответственно.
Учитывая перестановки типов плоскостей скольжения и типов направлений, кристаллы ГЦК имеют 12 систем скольжения. В решетке ГЦК норма вектора Бюргерса b может быть рассчитана с помощью следующего уравнения:
Где a — постоянная решетки элементарной ячейки.
Объемно-центрированные кубические кристаллы
Скольжение в объемно-центрированных кубических (ОЦК) кристаллах также происходит вдоль плоскости кратчайшего вектора Бюргерса; однако, в отличие от ГЦК, в структуре ОЦК нет по-настоящему плотноупакованных плоскостей.
Таким образом, система скольжения в ОЦК требует нагревания для активации.
Некоторые материалы bcc (например, α-Fe) могут содержать до 48 систем скольжения.
Существует шесть плоскостей скольжения типа {110}, каждая с двумя направлениями <111> (12 систем). Существует 24 плоскости {123} и 12 плоскостей {112}, каждая с одним направлением <111> (36 систем, всего 48). Хотя количество возможных систем скольжения в кристаллах bcc намного выше, чем в кристаллах fcc, 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 для всех намерений и целей их можно рассматривать как идентичные.
На диаграмме справа конкретная плоскость скольжения и направление — (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 в {0001} и направление скольжения <1120>. Это создает в общей сложности три системы скольжения, в зависимости от ориентации. Возможны и другие комбинации.
В кристаллах существует два типа дислокаций, которые могут вызывать скольжение — краевые дислокации и винтовые дислокации. Краевые дислокации имеют направление вектора Бюргерса, перпендикулярное линии дислокации, в то время как винтовые дислокации имеют направление вектора Бюргерса, параллельное линии дислокации. Тип образующихся дислокаций во многом зависит от направления приложенного напряжения, температуры и других факторов. Винтовые дислокации могут легко перекрестно скользить из одной плоскости в другую, если другая плоскость скольжения содержит направление вектора Бюргерса.
Скользящая полоса
Образование полос скольжения указывает на концентрированное однонаправленное скольжение на определенных плоскостях, вызывающее концентрацию напряжений. Обычно полосы скольжения вызывают поверхностные ступеньки (т. е. шероховатость из-за постоянных полос скольжения во время 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.
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). 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 Бюргера, выровненным с плоскостью выдавливания, поскольку PSB распространяется поперек зерна и обостряется во время усталости; монотонная полоса скольжения имеет вектор Бюргера для распространения и другой для выдавливания плоскости, оба из которых контролируются условиями на кончике.
Определение активности проскальзывания
Основными методами определения активной системы скольжения являются либо анализ следов скольжения монокристаллов или поликристаллов с использованием дифракционных методов, таких как нейтронная дифракция и анализ упругой деформации методом дифракции обратно рассеянных электронов с высоким угловым разрешением, либо дифракционная визуализация 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.
Исследования на основе дифракции измеряют остаточное содержание дислокаций вместо скользящих 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 быть области преимущественно одиночного скольжения, где геометрически необходимые дислокации не обязательно могут накапливаться. Остаточное содержание дислокаций не различает скользящие и сидячие дислокации. Скользящие дислокации способствуют скольжению и упрочнению, но сидячие дислокации способствуют только скрытому упрочнению.
Методы дифракции в общем случае не могут разрешить 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 1-го или 2-го порядка.