Линейные дефекты — дислокации

Изучение линейных дефектов кристаллической решетки, называемых дислокациями, связано с их сильным влиянием на прочность и пластичность практически всех конструкционных кристаллических материалов. Теории прочности кристаллов, не учитывающие этот тип дефектов, не могли даже приближенно объяснять наблюдающиеся механические свойства как моно- так и поликристаллических веществ.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Дислокации принято разделять на краевые и винтовые.

Первоначально понятие о дислокации в кристаллах было введено в физику твердого тела Тейлором и Орованом в 1930 г. для описания процесса пластической деформации металлов. Однако вскоре выяснилось гораздо более общее значение теории дислокаций.

Действительно, проще всего искусственно получить дислокацию в кристалле, если подвергнуть его пластической деформации. Однако совершенно аналогичные дислокации могут возникать в кристалле самостоятельно в процессе его роста.

Представим себе, что мы начинаем сдвигать половину кристалла относительно второй неподвижной его половины (рис. 2.1 (а)). (Направление сдвига показано стрелкой.) В результате сдвига половина кристалла может переместиться на одно межатомное расстояние (рис. 2.1 (б)), и решетка кристалла в конечном итоге вновь станет идеальной. Однако ряд атомов 1, 1, 1... при этом разорвется, связь между атомами (соединенными на рис. 2.1 (б) пунктирной линией) будет нарушена, но вместо нее образуются совершенно аналогичные связи между рядами 1, 1, 1... в 2, 2. 2, затем 2, 2, 2... и 3, 3, 3... и т. д. за счет перемещения соответствующих цепочек атомов на одно межатомное расстояние. В большинстве случаев процесс идет не так. Деформация сжатия в направлении сдвига приводит к тому, что нарушается связь между атомами в каком-либо ряду внутри кристалла (на рис. 2.2 в ряду 5, 5, 5...).

Рис. 2.1 Смещение атомных плоскостей в кристалле в результате сдвига: а - положение до сдвига; б - положение после свига	Рис. 2.2 Двухмерная схема дислокации в результате сдвига

В результате в кристалле возникает как бы вставленная полуплоскость (верхняя часть рядов 5, 5, 5...), называемая обычно экстраплоскостью. В пространстве это показапо на рис. 2.3. Сдвиг в кристалле произошел не по всей плоскости, а только на части ее ABDC. Дислокация, обозначенная на рис. 2.2 значком «┴», перпендикулярна к плоскости чертежа. Она имеет линейную протяженность (линия AB рис. 2.3), поэтому посит название линейной дислокации. На рисунке она выглядит как точечный дефект. Следует сказать, что точечные дефекты часто могут служить источником линейных дислокаций во время роста кристалла, причем длина дислокации в отличие от точечных дефектов может простираться на миллионы межатомных расстояний и пронизывать кристаллы из конца в конец. Вокруг дислокации образуется область (шнур) наиболее деформированной напряженной части кристалла. Толщина шнура того же порядка, что и у точечных дефектов, т.е. нескольких межатомных расстояний.

Рис. 2.3

Схема появления дислокации в кристалле

Понятие о винтовой или спиральной дислокации было введено в физику твердого тела Бюргерсом в 1939 г. Такая дислокация также может возникнуть за счет сдвига части кристалла на один межатомный параметр (или кратное их число). На рис. 2.4 в плоскости сдвига AВCD одна часть кристалла опустилась па один параметр решетки СС' и соответственно DD'. Ось дислокации АВ в этом случае будет параллельна направлению сдвига, а не перпендикулярна, как это было в случае линейной дислокации. Вокруг оси винтовой дислокации также будет располагаться область наиболее искаженного участка кристаллической решетки размером в несколько межатомных расстояний.

Рис. 2.4 Схема появления винтовой дислокации в кристалле	Рис. 2.5 Один виток винтовой дислокации

На рис. 2.5 показан один виток такой дислокации на участке решетки, где имеет место максимальная деформация ячеек. Начало и конец изогнутой стрелки (символизирующей один шаг спирали) расположены на соседних узлах одного вертикального ряда решетки.

Горизонтальный ряд узлов оказывается разорванным и сдвинутым но вертикали на один параметр. Левее этой стрелки решетка почти не нарушена. Если мы начнем обходить эту стрелку, то через 180° встретим опять практически ненарушенный участок решетки, причем ряд будет представлять собою почти не искаженную прямую линию. Обходя по стрелке дальше область максимальных деформаций, мы будем двигаться по винтовой кривой все глубже и глубже в середине кристалла, опускаясь на один параметр при каждом обороте на 360°.

Реальные случаи, как правило, представляют собою комбинацию двух идеальных случаев: линейной и винтовой дислокаций. При этом образуется криволинейная дислокация с произвольными кривыми поверхностями скольжения. Описать такую дислокацию в каждом конкретном случае часто бывает трудно. Однако отдельные ее части обычно удается свести к описанным выше идеальным случаям.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ = 105 - 107 м². Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5 - 20 мкм — “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа σ_в = 13000 МПа, для меди σ =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10^{15 —} 10¹⁶ м². В противном случае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

Дата добавления: 2015-07-11