Переползание краевой дислокации

Таким образом, перемещение краевой дислокации по нормали к своей плоскости скольжения осуществляется путем диффузии атомов или вакансий. Этим оно принципиально отличается от скользящего движения дислокации. В отличие от скольжения (консервативного движения), не связанного с переносом массы, переползание является неконсервативным перемещением и сопровождается переносом массы. При этом объем, построенный на трех векторах , b и h, отличен от нуля.

 Так как переползание связано с диффузионным перемещением атомов (вакансий), то этот процесс движения дислокаций является термически активируемым и зависящим от температуры. Поэтому интенсивность такого механизма перемещения в сильной мере определяется температурными условиями. Существенное влияние на скорость переползания оказывает также концентрация точечных дефектов, поскольку последние стимулируют процесс диффузии (например, по вакансионному механизму).

 Винтовая дислокация и способы ее перемещения

 Вторым основным типом дислокаций является винтовая дислокация, природу которой можно представить следующим образом. Сделаем в кристалле надрез по плоскости ABCD (рис.) и произведем сдвиг правой (передней) части кристалла вниз на одно межатомное расстояние. Образовавшаяся при таком сдвиге ступенька на верхней грани не проходит через всю ширину кристалла, оканчиваясь в точке В.

Винтовая дислокация

При этом горизонтальные атомные плоскости несколько изогнутся и край каждой из них сомкнется с краем ближайшей соседней плоскости. В результате кристалл окажется как бы образованным единой атомной плоскостью, закрученной по винту. Картина деформации решетки вокруг винтовой дислокации оказывается иной, чем в случае краевой дислокации. Лишней атомной плоскости в этом случае нет. При введении винтовой дислокации в решетку последняя видоизменяется и из системы дискретных плоскостей она превращается в непрерывную геликоидальную плоскость. Линия ВС является линией винтовой дислокации.

 В отличие от краевой дислокации для винтовой характерны следующие ориентационные соотношения между этими показателями:

                                            _ _   _  _

                                            b ½ ½    b ^ h.

Особенность винтовой дислокации состоит также в том, что для нее не определена однозначно плоскость сдвига. Это эначит, что такая дислокация может скользить в любой кристаллографической плоскости, которая содержит линию дислокации и вектор сдвига. При этом в отличие от краевой винтовая дислокация может переходить из одной атомной плоскости в другую скольжением. Если на пути движения винтовой дислокации в плоскости Р встречается какой-либо барьер, то она будет скользить в другой атомной плоскости R, находящейся под углом к первоначальной плоскости (рис.)  Такой процесс называется поперечным скольжением. Пройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения и удалившись от барьера, винтовая дислокация может перейти в атомную плоскость S, параллельную исходной плоскости скольжения Р. В этом случае принято говорить о двойном поперечном скольжении. Если такой процесс повторяется многократно, то его называют множественным поперечным скольжением.

Отметим, что разные по типу дислокации (краевая и винтовая), перемещаясь через весь кристалл под действием однонаправленного напряжения t, дадут одинаковый конечный результат - сдвиг на дискретное расстояние, равное величине вектора Бюргерса.

                В результате перемещения краевой (а) или винтовой (б) дислокации

               получается одинаковый результат - дискретный сдвиг на величину

               межатомного расстояния (в)

 

Смешанные дислокации  

Поскольку дислокация является границей зоны сдвига, то она не может обрываться внутри кристалла. Дислокация в состоянии лишь выходить своими концами на поверхность, разветвляться на несколько дислокаций, образующих узел, или формировать замкнутое кольцо, полностью расположенное в кристалле (рис.2.18). В последнем случае деформированная область ABCD (рис.2.19) отделяется от недеформированной части дислокационным кольцом, состоящим преимущественно из так называемой смешанной дислокации, имеющей различную долю краевой и винтовой компонент. Дислокационная линия будет чисто краевой в точках B и D и чисто винтовой в точках А и С. Любую произвольную линию дислокации можно разделить на краевую и винтовую составляющие (рис.2.20). Если АВ - линия дислокации, которая составляет угол q со своим вектором Бюргерса b , то она может рассматриваться как сумма двух дислокаций с векторами Бюргерса b₁ и b₂, причем b₁ = b sin q (краевая компонента) и b₂ = b cos q (винтовая компонента). Вектор Бюргерса дислокационной линии АВ является суммой векторов Бюргерса составляющих дислокаций b = b₁ + b₂ .

Разложение вектора Бюргерса смешанной

дислокации`b на краевую`b₁  и винтовую`b₂ компоненты

                                                                                     

b₁ = b sin q (краевая компонента) и b₂ = b cos q (винтовая компонента).

Краевая дислокация: Θ =90 ^°.

Винтовая дислокация: Θ =0 ^°.

Смешанная дислокация: 0 ^° < Θ < 90 ^°.

Дислокация выходит на поверхность кристалла (а), разветвляется (б) или образует замкнутую петлю (в)

Образование дислокаций

Появление дислокаций может быть обусловлено различными причинами. Их возникновение вероятно уже в процессе кристаллизации. При затвердевании срастание отдельных ветвей дендритов происходит со смещением кристаллографических осей. Такое смещение может вызываться движением кристаллизующейся жидкости. Подобные особенности роста характерны для поликристаллических тел. С другой стороны, рост образовавшегося монокристаллического образца путем присоединения к поверхности двухмерных зародышей в значительной мере облегчается, если в кристалле уже в момент зарождения формируется винтовая дислокация. Поэтому даже самые совершенные кристаллы, которые удается выращивать, тем не менее могут содержать, по крайней мере, винтовую дислокацию роста.

 Возникновение дислокаций может вызываться наличием температурного градиента и, следовательно, с появлением термических напряжений. Релаксация таких напряжений возможна путем возникновения дислокаций. При этом повышение энергии из-за образования дислокаций компенсируется снижением энергии упругой деформации кристалла.

Аналогичный эффект оказывает концентрационный градиент, который может возникать в твердом растворе внедрения или замещения (при этом примесный атом замещения заметно отличается по размерам от атома металла-растворителя). Различие в составе отдельных локальных участков твердого раствора способно вызвать разницу в параметре решетки. Возникающие при этом напряжения могут стимулировать процесс появления дислокаций, что позволяет ослабить эффект упругого искажения.

    Довольно типичным примером возникновения дислокации является также процесс перерождения скопления вакансий в дислокации.   Он преимущественно наблюдается в сильно пересыщенных вакансиями кристаллах (например, после ускоренного охлаждения). Избыточные вакансии конденсируются в дискообразные образования. Когда диаметр вакансионного диска превышает некоторую критическую величину, то под действием сил межатомного притяжения его стороны сближаются и диск сплющивается - происходит его захлопывание.

   Наиболее важным способом размножения дислокаций, действующим в процессе пластического деформирования, является механизм Франка-Рида. Он основан на рассмотрении дислокационной линии, закрепленной на обоих концах. Дислокационная линия АВ лежит в плоскости скольжения и зафиксирована в точках А и В (позиция 1). Закрепление в этих точках может быть вызвано разными причинами - они могут оказаться узловыми точками в трехмерной дислокационной сетке, ими способны быть также атомы примеси или частицы выделений.

 Схема последовательных стадий размножения (1-5) дислокаций по механизму Франка-Рида

 

 

 При приложении нагрузки напряжение сдвига достигает критической величины и дислокация начинает двигаться вперед. Необходимое для этого напряжение t равно t = Gb/L, где L - длина отрезка АВ . Приложенное напряжение оказывается максимальным для линии в форме полуокружности (позиция 2), но после прохождения этой стадии она становится неустойчивой и непрерывно расширяется (позиции 3-5). У точек закрепления А и В образуются спиральные участки дислокации. На завершающем этапе два дислокационных участка с противоположными знаками будут перемещаться навстречу друг другу и при соприкосновении исчезнут (позиции 4-5). В результате получится замкнутая дислокационная петля, которая будет продолжать расширяться под действием приложенного напряжения. Одновременно восстанавливается первоначальный дислокационный отрезок АВ (стартовое положение), который может полностью повторить описанный процесс. Таким путем порождается бесконечная серия петель, пока обратные напряжения, возникающие при дислокационном воздействии и противодействующие приложенным напряжениям,  не прекратят работу источника. Плоскость скольжения окажется заблокированной и пластическая деформации окажется невозможной. Чтобы возобновить генерацию источника, а следовательно, и процесс пластической деформации, нужно приложить теперь большее по величине напряжение. Для поддержания же непрерывного процесса деформирования к металлу необходимо прикладывать все возрастающее по величине напряжение, т.к. сопротивление сдвигу непрерывно увеличивается. Металл, следовательно, упрочняется.

Скопление дислокаций. Если в плоскости скольжения имеется препятствие, то дислокации, испущенные источником Франка-Рида, скапливаются у этого барьера. Последние дислокации оказывают давление на первые, в результате чего расстояние между ближайшими к препятствию дислокациями оказывается значительно меньшим, чем между теми, которые последними вышли из источника. Возникает некоторое равновесное распределение дислокаций. Расчетами показано, что около ведущей дислокации (лидера) возникает местная (локальная) концентрация напряжений t _лок , равная t _лок = n t, где t - приложенное напряжение, n - число дислокаций в скоплении. Это означает, что в голове плоского скопления из n дислокаций возникает локальное внутреннее напряжение, которое в n раз больше приложенного напряжения. Подобные концентрации напряжений играют важную роль, например, в таких явлениях, как упрочнение и разрушение.

Скопление дислокаций у барьера

Границы зерен

Твердые тела имеют не только внешние поверхности, но содержат и                            внутренние границы, которые зачастую в заметно большей степени способны влиять на свойства металлических материалов.

Применяемые в технике металлы и сплавы обычно относятся к поликристаллическим телам, поскольку состоят из множества отдельных кристалликов неправильной формы, жестко связанных между собой. Их принято называть кристаллитами или зернами.

Таким образом, во всяком поликристаллическом материале существуют внутренние границы (поверхности), разделяющие соседние зерна. Они представляют собой области несовершенного контакта, где имеется нарушение непрерывности кристаллической структуры. Два соседних зерна в общем случае имеют несовпадающую кристаллографическую ориентировку, различие в которой может быть самой разнообразной. В зависимости от угла разориентировки q принято выделять малоугловые и высокоугловые границы. К первым относятся межзеренные границы с углом разориентировки не более 5^о. Если этот угол превышает 10^о, то такие границы считаются высокоугловыми (при q » 5 -10^о границы относятся к среднеугловым). При переходе через высокоугловые границы фактически происходит резкий скачок ориентировки атомных плоскостей и анизотропных свойств соприкасающихся решеток соседних кристаллов.

        

   Малоугловая граница                                            Большеугловая граница

           

Для высокоугловых границ достаточно убедительной модели и ее количественный анализ не разработаны. Некоторые существующие представления о строении межзеренных границ имеют в основном описательный характер. Считается, например, что ширина высокоугловой границы приближается к атомным размерам (порядка 1-3 атомных диаметров). Такая граница содержит относительно большие промежутки между атомами (повышенную рыхлость). Это является причиной более быстрой диффузии по границам зерен, а также их высокую подвижность.

  Поскольку атомы на границах зерен находятся в неравновесном положении, то они имеют повышенную энергию по сравнению с атомами внутри зерна и, как следствие, склонны вступать в химические реакции. Этим, например, объясняется более высокая травимость границ зерен.

В качестве одного из вариантов строения высокоугловых границ обычно рассматривается так называемая " островковая" модель. Согласно ей граница представляется как переходная зона, состоящая из чередующихся участков с хорошим и плохим сопряжением решеток соседних зерен.                            В островках " плохого" сопряжения отсутствует кристаллографическая симметрия. Число атомов в " хорошем" участке невелико, обычно оно не превышает 10³. При этом " плохих" участков тем больше, чем выше угловое несоответствие соседних зерен.

Достаточно надежная дислокационная модель атомного строения меж- зеренной границы и количественная теория разработаны для случая малой угловой разориентировки зерен. Типичным примером в этом отношении является малоугловая граница наклона, состоящая из выстроенных в вертикальный ряд (стенку) краевых дислокаций (рис.). Такие границы, состоящие из дислокационных стенок, называются субграницами, а сами зерна, которые ими разделяются, - субзернами.

* Здесь Q - угол разориентировки, n - число дислокаций в стенке, l - высота стенки, b - вектор Бюргерса.

Из соотношения (*) следует, что чем больше дислокаций в стенке n и меньше, следовательно, расстояние между ними, тем выше угол разориетировки соседних зерен q. Поэтому с увеличением плотности дислокаций в стенке малоугловая граница может постепенно трансформироваться в высокоугловую, для которой существующая дислокационная модель оказывается уже непригодной.

Примером малоугловых границ являются границы между соседними субзернами внутри одного зерна, полученные в процессе роста кристаллов из расплава. Субзеренные границы могут возникать также в результате пластической деформации (особенно в металлах с высокой энергией дефектов упаковки) и при дорекристаллизационном отжиге предварительно холодно- деформированного материала.

                     

Объемные дефекты

Объемными дефектами являются такие, которые имеют размеры одного порядка величин во всех трех измерениях. Обычно к ним относят нарушения сплошности кристалла (трещины, поры). Иногда к ним причисляют включения с другой кристаллической структурой (выделения избыточных фаз) или микрообъемы аморфных фаз, хотя принимать их за объемные дефекты вряд ли оправданно.

⇐ Предыдущая1234

Поделиться: