Основные положения теории дислокаций

Механизм скольжения в плоскости скольжения монокристалла в основных закономерностях хорошо объясняет теория дислокаций. Мы не будем излагать теорию дислокаций в полном объеме, так как в специальном курсе она будет излагаться на достаточно высоком уровне. Эта теория разработана для описания механизма скольжения только внутри одного однородного по химическому и фазовому составу монокристалла. Остановимся на самых общих представлениях о дислокациях.

Первоначально теоретически, а теперь уже и экспериментально, показано, что в плоскости скольжения кристалла существуют различные дефекты, несовершенства строения кристаллической решетки. Они бывают точечные, линейные и объемные. Внутри кристалла всегда присутствуют линейные дефекты, проходящие через всю толщу кристаллографической плоскости, по которой происходит скольжение. На рис 6 приведены типы линейных дефектов. Как видно из рис 6а, в первом типе линейного дефекта одна часть кристалла (у нас верхняя) содержит лишнюю кристаллографическую плоскость а. Вершина этой плоскости – линия вг - называется краевой дислокацией. Под действием касательного напряжения t, перпендикулярного плоскости а, атомы, находящиеся на линии вг, легко смещаются в направлении нагрузки и устанавливают связи с атомами нижней части соседней плоскости. В соседней плоскости рвутся связи верхней части с нижней, и верхняя полуплоскость вновь становится лишней, а ее вершина – новой дислокацией, которую

Рис. 6а

Краевая

дислокация.

можно рассматривать как старую дислокацию, сместившуюся от первоначального положения на величину межатомного расстояния. Таким образом, краевая дислокация под действием нагрузки перемещается параллельно ей в плоскости скольжения к границе кристалла.

Рис 6 б и в.

Винтовая дислокация: объемная (б) и плоская (в) картина.

На рис. 6б и 6в приведены объемная и плоская картинки другого вида линейного несовершенства. Это винтовая дислокация, которая образуется при смещении верхних правильно уложенных конгломератов атомов относительно нижних. Под напряжением t такая дислокация перемещается в плоскости скольжения перпендикулярно действующей нагрузке. Как краевая, так и винтовая дислокации перемещаются из центральных слоев кристалла к его поверхности, образуя на поверхности смещение атомов на величину межатомного расстояния, которое и представляет собой элементарный акт пластической деформации кристалла.

Поскольку в кристалле дислокаций всегда много и существуют механизмы рождения новых дислокаций в процессе деформации, то движение потоков дислокаций носит лавинообразный характер, что приводит к значительным деформациям кристалла без нарушения его сплошности. Для перемещения дислокации требуется постоянная сдвигающая нагрузка до тех пор, пока она не встретит каких-либо препятствий на своем пути. В теории дислокаций доказывается, что количество препятствий в процессе деформации постоянно увеличивается, поэтому дислокации могут двигаться непрерывно только при увеличении нагрузки в процессе деформации. Напряжение, при котором начинается движение дислокаций, называется пределом текучести. Увеличение предела текучести металла при деформации называется наклепом.

Реальный металл состоит, как правило, из зерен разного фазового состава, внутри которых могут присутствовать частицы еще каких-то соединений. Межзеренное вещество также имеет сложную структуру, влияющую на процесс движения дислокаций. Традиционная теория дислокаций усложняется за счет учета влияния различных факторов на структуру дислокаций, их конфигурацию и характер перемещения. Строится теория, учитывающая перемещения не отдельных дислокаций, а их конгломератов, которая точнее описывает деформацию реальных материалов.

Академик А. А. Бочвар в 1956 г. опубликовал качественную кривую, характеризующую прочность монокристалла в зависимости от количества несовершенств в нем (рис.7). При отсутствии дефектов теоретическая прочность монокристалла на порядок выше, чем в реальных металлах. Обычная прочность проката или отливки находится где-то вблизи

Рис. 7.

Влияние

количества несовершенств

в кристалле на его прочностные

характеристики

минимума этой кривой. Прочность металла можно повысить, либо уменьшая, либо, наоборот, увеличивая количество дефектов в нем. Первый путь связан с получением весьма чистых металлов в виде единого кристалла без дополнительных зерен и межзеренных прослоек. Доказано, что без дислокаций получение монокристалла принципиально невозможно, но можно сократить их до минимума. Полученные путем медленного вытягивания из расплава тонкие нити металла – “усы” – содержат небольшое число несовершенств, и их прочность приближается к теоретической прочности монокристалла. В настоящее время “усы” используются как упрочняющие добавки к некоторым сплавам и позволяют создать композиционные высокопрочные материалы. Такие материалы очень дороги и не могут использоваться в больших объемах.

Второй путь связан, наоборот, с увеличением несовершенств кристаллической решетки. Например, путем легирования металла создаются точечные дефекты или вкрапления новых фаз, которые искажают кристаллическую решетку и препятствуют движению дислокаций, упрочняя материал. Путем термообработки можно не только увеличить количество дислокаций в металле, но и выстроить их в определенные структуры. Именно, определенные конфигурации структур дислокаций и других несовершенств повышают прочностные свойства металла. Неудачные конфигурации, или хаотическое их расположение, наоборот, могут привести к скоплению дислокаций в одном месте, а поскольку дислокация - это микродефект металла, то их скопление может привести к макродефекту, то есть к видимой трещине и браку. Практически требуемые структуры дислокаций достигаются путем сочетания строго дозированных пластической и термической обработки металла. Такой путь упрочнения металлов широко используется в промышленных технологиях.

Лекция 3

Дата добавления: 2014-01-07