Мы уже рассматривали три основных типа кристаллической решетки металлов. Взаимное расположение атомов в этих решетках можно представить как упаковку биллиардных шаров. Предельная плотность упаковки достигается, когда каждый шар окружен в пространстве 12 такими же шарами. Этому случаю соответствуют гранецентрированные кубические и гексагональные плотноупакованные решетки. В этих решетках коэффициент заполнения объема атомами равен 0,74 и только 26 % объема приходится на долю пор между атомами. Третий распространенный тип решетки металлов, с которым мы уже знакомы, — объемноцентрированная кубическая. Коэффициент заполнения объема у металлов с такой решеткой несколько меньше — 0,68, но это не означает, что больше размеры пустот между атомами. Наоборот, несложные геометрические вычисления показывают, что размеры пор в этой решетке меньше, чем в решетках с предельно плотной упаковкой, престо самих этих пор — больше.
Теперь приложим пару внешних сил так, как показано на рисунке. Это вызовет появление касательных движений т, которые стремятся сдвинуть один атомный слой относительно соседнего.
Такой способ пластической деформации называете скольжением — слои кристалла сдвигаются, скользят по другим. Воображаемые плоскости, разделяющие эти слои, называют плоскостями скольжения. Обычно в скольжении участвуют плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, поскольку расстояния между ними в кристаллах максимальны и поэтому их легче сдвигать одну по другой. Расстояние от плоскости, в которой атомы тесно прилегают друг к другу, до следующей такой же плоскости близко к диаметру атома. Если же мы выберем другую плоскость, в которой атомы расположены реже, то расстояние от нее до следующей такой же будет заметно меньше. Взаимное смещение (скольжение) таких плоскостей требует больших усилий, вызывает большие нарушения правильного атомного строения кристалла в зоне сдвига, чем скольжение вдоль плоскостей плот ной упаковки.
Как мы установили касательные напряжения возникают и при растяжении (и при других способах деформирования). Вызванные ими сдвиги обеспечивают удлинение стержня в направлении растягивающей силы. Это напоминает сдвиг в стопке монет ил в колоде карт. Мы не можем увеличить размер колоды потянув сразу все карты в продольном направлении, но длина колоды увеличится, если мы будем сдвигать вдоль нее карты одну подругой. Чтобы при пластической деформации не нарушалась сплошность металла, слои, разделенные плоскостями сдвига, постепенно разворачиваются в направлении действия нагрузки. Эти сдвиги, как мы уже знаем, необратимы: они и вызывают остаточную деформацию.
Особенно отчетливо такой характер пластической деформации виден при исследовании металлических образцов, представляющих собой единый кристалл, — так называемых монокристаллов.
В кристалле может быть несколько равноправных плотноупаковаиных плоскостей. Следовательно, при пластической деформации кристалл окажется перед выбором. Вопрос будет решен в пользу той плоскости скольжения, в которой будет действовать наибольшее касательное напряжение. При данном направлении действия внешней силы первой «заработает» та группа параллельных плотноупакованных плоскостей, которые составляют с осью растяжения угол, возможно более близкий к 45°. Ведь именно на площадках, расположенных под этим углом к оси, растяжения, касательные напряжения максимальны. Несколько сложнее обстоит дело при деформировании обычных поли кристаллических металлов, которые состоят из множества зерен — монокристаллов —, случайным образом ориентированных друг по отношению к другу. Такая структура всегда получается при охлаждении расплава (если не принимать особых мер предосторожности, как при выращивании монокристаллов), поскольку возникает множество зародышей твердой фазы, каждый со своей (случайной) ориентировкой решетки в пространстве. Процесс их роста и срастания друг с другом и формирует типичную поликристаллическую структуру металла.
В поликристаллах деформация каждого зерна должна быть согласована с деформацией всех его непосредственных соседей, иначе на границах зерен будут появляться разрывы, трещины, пустоты. К счастью, высокая симметрия кристаллических решеток металлов, наличие нескольких возможных плоскостей скольжения в каждом зерне позволяет обойти эту трудность. Все же процесс скольжения в поликристаллах требует больших напряжений, чем в монокристаллах, но принципиально картина скольжения не меняется. Происходит сдвиг одних слоев металла в пределах каждого зерна относительно соседних по плоскостям скольжения. Внешняя растягивающая сила диктует необходимость разворота этих слоев в направлении оси растяжения, который сопровождает их скольжение друг по другу. В результате каждое зерно вытягивается в осевом направлении и сжимается в двух других. Так из совместной деформации отдельных зерен складывается общая деформация всего поликристаллического агрегата — например, растягиваемого образца, который удлиняется в направлении действия силы.
Многочисленные эксперименты показывают, что плс ность металлов при их пластической деформации практически не изменяется. Это подтверждает отсутствие пустот у границ и в теле зерен. Раз не меняется плотность, значит и объем деформируемого образца остается постоянным. Если он имел цилиндрическую форму, то его поперечное сечение при растяжении уменьшается пропорционально росту длины.