Основные виды дислокаций

Понятие о дислокациях.

Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Первоначально представление о дислокациях было введено в физику кристаллов для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах. Позже были получены прямые доказательства их существования, гипотеза подтвердила свою состоятельность в 1934 г. В настоящее время используются разнообразные экспериментальные методы изучения дислокаций в металлах и сплавах.

Краевая дислокация. На рис.1 показан параллелепипед, верхняя часть которого сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировано положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость скольжения от правой границы до левой, а лишь часть плоскости скольжения. ABCD – участок плоскости скольжения, в котором произошел сдвиг, AB – граница этого участка.

рис. 1

На рис.2 показан разрез параллелепипеда по атомной плоскости, перпендикулярной линии АВ.

рис. 2

Одна вертикальная атомная плоскость в верхней половине кристалла уже не имеет продолжения в нижней половине кристалла. Такую «лишнюю», неполную атомную плоскость называют экстраплоскостью. Выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, ниже края экстраплоскости – больше нормальных.

Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией. Можно мысленно себе представить, что рассматриваемая область находится внутри трубы, осью которой является край экстраплоскости. Вне этой трубы строение кристалла близко к идеальной решетке, а внутри (в т.н. ядре дислокации) сильно искажено. В верхней части находится область сгущения атомов, в нижней – разрежения.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной, если в нижней – отрицательной.

Обозначение:

_┴ - положительная дислокация

_┬ - отрицательная дислокация

Винтовая дислокация. Понятие винтовой дислокации в физику твердого тела ввел в 1939 г. Бюргерс.

Сделаем надрез по плоскости ABCD и сдвинем правую часть кристалла вниз на один период решетки.

Образовавшаяся при таком сдвиге ступенька на верхней грани не проходит через всю ширину кристалла, оканчиваясь в т.В. Величина смещения правой части относительно левой уменьшается по направлению от т.А к т.В. Верхняя атомная плоскость оказывается изогнутой.

Т.к. после появления такой дислокации в кристалле он состоит из атомной плоскости, закрученной в винтовую лестницу, то эта дислокация называется винтовой.

Дислокация, как резьба винта, может быть правой или левой. Правая: линия дислокации (ось) от верхнего горизонта к нижнему обходится по спирали и по часовой стрелке.

Образование краевой дислокации всегда сопровождается изменением объема кристалла решетки. Винтовая дислокация не вызывает объемных изменений, но дислокациям того и другого вида сопутствуют касательные (сдвигающие) напряжения.

Механизм образования дислокаций

В реальных монокристаллах дислокации возникают в процессе кристаллизации, а также в процессе пластической деформации. Механизм возникновения дислокаций в процессе кристаллизации из жидкого расплава разнообразен.

1. На рисунке показаны границы двух блоков, растущих навстречу друг другу. Блоки повернуты на небольшой угол φ. При срастании блоков ряд атомных плоскостей не проходит через весь кристалл и заканчивается на границах блоков. В этих местах и возникают дислокации.

Такая же картина наблюдается и при срастании различно ориентированных зерен в поликристаллическом образце. В реальных твердых телах протяженность границ блоков и зерен и количество дислокаций их исключительно велики (в хорошо отожженных металлах плотность дислокаций ~10⁷-10⁸ на см²). Холодная обработка (прокатка, волочение и т.д.) увеличивает плотность дислокаций до 10¹¹-10¹² на см². В этих дислокациях концентрируется почти вся энергия, поглощенная металлом при пластическом формоизменении.

2. Источником дислокаций в недеформированном кристалле могут служить также скопления вакансий. На рисунке приведен пример образования положительной дислокации из скопления вакансий.

Сдвигообразование в кристалле, развивающееся под действием внешней силы, представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения и выход их на поверхность кристалла. Если бы сдвигообразование происходило только за счет выхода дислокаций, уже имеющихся в кристалле, то процесс пластического деформирования привел бы к уменьшению дислокаций и переводу кристалла в более совершенное состояние. Однако опыт показывает, что с ростом степени деформации искажение решетки не уменьшается, а, наоборот, растет. Следовательно, увеличивается и плотность дислокаций.

3. Современная теория твердого тела исходит из того, что дислокации генерируются (возникают) уже в процессе самой деформации.

Механизм возникновения дислокаций в процессе пластической деформации выяснен не полностью, и существует ряд гипотез, часть из которых имеет косвенное экспериментальное подтверждение. Наиболее обоснованной является гипотеза, объясняющая возникновение новых дислокаций наличием локальных препятствий движению исходной дислокации. Эта гипотеза была предложена Франком и Ридом в 1950 г. Были предложены 2 варианта возникновения дислокаций. Наибольшее распространение получил следующий механизм размножения дислокаций:

Дислокационная линия закреплена с двух сторон. Это так называемый источник Франка-Рида. Приложенные напряжения выгибают линию дислокаций в дугу. Радиус кривизны зависит от приложенного напряжения τ и уменьшается по мере роста этого напряжения. Минимальный радиус получится, когда линия дислокаций примет форму полуокружности. Дальнейшее движение дислокации может приводить к увеличению радиуса кривизны линии дислокации, что должно соответствовать уменьшению напряжения τ. При неизменном же значении τ линия дислокации должна закручиваться вокруг точек D и D’. Линия дислокации образует большую петлю, которая в результате встречного движения m и n в конечном итоге превращается в замкнутую петлю дислокации и новую дислокацию DD’, аналогичную исходной. Далее пол действием напряжений процесс начинается снова, многократно повторяясь. Такие источники увеличивают количество дислокаций в десятки и сотни раз.

Скользящие дислокации всегда тормозятся, часто вплоть до полной остановки под действием различных факторов:

- пересечение с другими дислокациями;

- границы зерен и субзерен;

- границы между дисперсными частицами (разными фазами);

- торможение в твердых растворах;

- несоответствие модулей упругости растворителя и растворенного элемента.

Дата добавления: 2014-01-05