Пластическая деформация – необратимые изменения формы и размеров тела, остающиеся после снятия нагрузки.  В макромасштабах пластическая деформация проявляется как остаточная деформация. В атомных масштабах при низких температурах внутризеренная пластическая деформация происходит путем скольжения или двойникования отдельных участков решетки по определенным плоскостям (при высоких температурах проявляется ползучесть). Нормальное напряжение почти не оказывает влияния на пластическое течение кристаллов. Пластическая деформация происходит под действием касательных напряжений.

При скольжении наблюдается взаимный сдвиг частей кристалла по определенным кристаллографическим плоскостям (плоскостям скольжения) и направлениям (направлениям скольжения), образующим системы скольжения. Плоскости и направления скольжения отличаются повышенной плотностью упаковки атомов.

В основу современной теории пластической деформации приняты следующие положения:

- скольжение распространяется по плоскости сдвига последовательно, а не одновременно;

- скольжение начинается от мест нарушения кристаллической решетки, которые должны быть или возникают в кристалле при его нагружении.

Главный механизм пластической деформации – внутреннее дислокационное скольжение. При достаточно высоких температурах может осуществляться механизм движения краевой дислокации, называемый переползанием.

Винтовая дислокация, в отличие от краевой, может переходить из одной плоскости в другую без переноса массы – поперечным скольжением. Если на пути скольжения дислокации в плоскости P встречается какой-то барьер, то дислокация начинает скользить в другой атомной плоскости R, находящейся под углом к первоначальной плоскости скольжения P. Пройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения и удалившись от барьера, винтовая дислокация может перейти в атомную плоскость S, параллельную первоначальной плоскости скольжения P.

Составляющая приложенной растягивающей силы P в направлении скольжения равна P cosλ, а площадь скольжения равна A/cosθ, где A – площадь поперечного сечения кристалла, перпендикулярная оси растяжения. Отсюда так называемое приведенное напряжение сдвига, действующее в плоскости скольжения в направлении скольжения:

τ = Pcosλ / (A / cosθ) = σcosλ·cosθ,

где σ = P / A – растягивающее напряжение.

Характеристикой ориентации системы скольжения по отношению к растягивающей силе является фактор Шмида cosλ·cosθ. Следовательно, при заданном σ приведенное напряжение сдвига τ максимально в плоскостях скольжения, расположенных под углом 45° к оси растяжения.

 

Металлы с кубической гранецентрированной решеткой более пластичны, чем с объемноцентрированной. Для каждого металла и каждой его плоскости и направления характерно так называемое предельное касательное напряжение, при котором возникает скольжение. С другой стороны, в каждой из плоскостей и каждом из направлений в ней под влиянием нагрузки возникает некоторая определенная по величине касательная составляющая полного напряжения. Скольжение в монокристалле возникает в той из плоскостей и в том направлении, в которых касательное напряжение, вызываемое нагрузкой, прежде всего достигает предельной величины. Скольжение может происходить и сразу по нескольким системам плоскостей и направлений, одинаково предрасположенным к его возникновению.
В монокристаллах с гранецентрированной кубической решеткой, в силу наличия большого числа однотипных потенциальных систем плоскостей и направлений скольжения, добиться такой пластической деформации, в которой скольжение происходит лишь в одной системе кристаллографических плоскостей, затруднительно.
Гораздо легче этого добиться в монокристаллах с гексагональной решеткой. Условие возникновения скольжения в некотором сечении призматического монокристалла, подверженного растяжению, может быть представлено так:

τ = τ_с.

где τ = P cosψ cosλ / F.

Внешняя картина скольжения в монокристалле. В монокристаллическом, например, растягиваемом призматическом, образце скольжение происходит не сразу по всем параллельно расположенным плоскостям, находящимся, если не учитывать наличия дефектов, в совершенно одинаковых условиях. На самом деле из всех них плоскостями скольжения оказываются лишь те, в которых ослабление, в силу наличия дефектов, наибольшее. Между плоскостями скольжения располагаются недеформированные части кристалла, называемые пачками скольжения. Описанная картина деформации характерна для металлов. Именно в них сочетается высокая прочность с большой пластичностью вследствие описанного выше металлического типа связи между атомами, при котором коллективизированные электроны как бы играют роль смазки, облегчающей скольжение. В ряде случаев картина скольжения несколько более сложна.

 

 

В металлах с  ГЦК- и ОЦК-решетками значительно больше систем скольжения, чем в металлах с решеткой ГПУ. Поэтому металлы с гексагональной решеткой обладают пониженной пластичностью и труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим видам деформации.

 

Деформационное упрочнение, или наклеп (нагартовка), – непрерывное повышение приведенного напряжения сдвига по мере увеличения пластической деформации.
Наклеп приводит к изменению структуры и свойств пластически деформированного материала: повышает прочность, снижает пластичность, теплопроводность; увеличивает плотность и электросопротивление.

Деформационное упрочнение является фундаментальной особенностью пластической деформации. В результате упрочнения металла в ходе деформации напряжения могут возрасти до таких высоких значений, что становится возможным возникновение и развитие трещин. Деформационное упрочнение материала наблюдается в процессе деформирования лишь при относительно низких температурах – при холодной деформации. В случае горячей деформации деформационное упрочнение отсутствует из-за релаксации внутренних напряжений.

Участок 0а соответствует области малой упругости деформации (может совпадать с осью ординат).

На стадии I с очень слабым деформационным упрочнением происходит так называемое легкое (или единичное) скольжение дислокаций в одной системе скольжения с максимальным фактором Шмида. (В поликристаллах из-за тормозящего действия МЗГ отсутствует.)

На стадии II действуют менее благоприятно ориентированные системы скольжения. Множественное скольжение в пересекающихся плоскостях приводит к образованию дислокационных барьеров.

На стадии III деформационное упрочнение затухает (развитие поперечного скольжения дислокаций) – динамический возврат.