Линейные дефекты - дислокации

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 11

Подробное 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.

Типы дислокаций. Дислокации принято разделять на краевые и винтовые, хотя, строго говоря, наблюдаемые дислокации только иногда могут быть отнесены к одному из этих модельных типов дислокаций, поскольку обычно содержат элементы и того и другого типа. Начнем рассмотрение с этих двух наглядных модельных дислокаций. Для простоты будем рассматривать простую кубическую решетку, хотя полученные результаты справедливы с незначительными изменениями и для решеток других типов.

Краевая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное для случая простой кубической решетки на рис. 18.1. На этом рисунке изображена " лишняя половинка" плоскости, помещенная между двумя другими целыми соседними плоскостями типа 100. Атомы этих целых плоскостей восстановили связи друг с другом, при этом вблизи края вставленной полуплоскости возникли очень сильные деформации. Линию, проходящую через край лишней полуплоскости, называют линией краевой дислокации, а иногда просто краевой дислокацией. По этой причине дислокацию относят к линейным дефектам. Она проходит через места, находящиеся около границы лишней полуплоскости, с наиболее сильными искажениями кристаллической решетки, вызванными этой полуплоскостью. Область сильных искажений вблизи дислокации простирается на 2-3 периода кристаллической решетки. На больших расстояниях искажения малы и их можно описывать в рамках теории упругости.

Появляется краевая дислокация чаще всего при деформации кристалла по схеме, изображенной на рис. 18.2. Прежде всего, заметим, что появляются дислокации при сдвиговых деформациях в плоскостях, наиболее густо занятых атомами, называемых плоскостями скольжения. Мы будем рассматривать случай простой кубической решетки и ее плоскость типа {100}. Отметим, что для ОЦК решетки плоскостями скольжения являются {110}, {112}, и {123}, а для ГЦК решетки - {111}. Если на кристалл воздействовать силой (см. рис. 18.2 (1)), то плоскости (100) в месте, отмеченном пунктиром, могут " разорваться" (см. рис. 18.2 (2)), после чего верхняя половинка плоскости 1 присоединится к нижней половинке плоскости 2 (см. рис. 18.2 (3)), а верхняя половинка плоскости 2 станет " лишней". Если продолжать воздействие на кристалл, то следующая плоскость разорвется, после чего верхняя половинка плоскости 2 присоединится к нижней половинке плоскости 3 (см. рис. 18.2 (4)), и так далее. Таким образом в кристалле появится лишняя полуплоскость (100), которая под воздействием силы сможет перемещаться вдоль плоскости скольжения за счет разрыва-соединения соседних половинок плоскостей. Заметим, что разрыв новой плоскости происходит как раз на линии дислокации, поскольку именно на ней искажения кристаллической решетки наибольшие (см. рис. 18.1).

Рис. 18.1. Схема расположения атомов вблизи краевой дислокации

Рис. 18.2. Схема зарождения и перемещения краевой дислокации

при сдвиговой деформации кристалла

Винтовая дислокация. Винтовая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное на рис 18.3 для случая простой кубической решетки. На этом рисунке атомы, расположенные слева от половинки плоскости А, остались на месте, а атомы справа от нее смещены вниз на одно межплоскостное расстояние. При этом вблизи линии В возникли очень сильные деформации. Линию В, проходящую через границу полуплоскости А и оставшейся полуплоскости также называют винтовой дислокацией. На рис. 18.3 видно, что по горизонтальной, теперь уже деформированной плоскости типа (001) можно при повороте вокруг линии В подняться на 1 период кристаллической решетки, а совершив несколько оборотов вокруг линии В можно подняться на несколько периодов решетки. Подъем похож на движение по винтовой автодороге, отсюда и название винтовая дислокация. Заметим, что в случае винтовой дислокации все плоскости (010) перестали быть обособленными, они как бы слились в одну сложную винтовую поверхность с осью В. Изображенная на рис. 18.3 поверхность обеспечивает подъем при движении против часовой стрелке вокруг линии В (если смотреть сверху). Может быть построена такая же поверхность, которая обеспечивает подъем при движении по часовой стрелки вокруг линии В (для этого надо было правую часть кристалла на рис. 18.3 смещать не вниз, а вверх). Поэтому винтовые дислокации бывают правовинтовые и левовинтовые.

Рис. 18.3. Схема расположения атомных плоскостей

вблизи винтовой дислокации

Появляется винтовая дислокация при деформации кристалла по схеме, изображенной на рис. 18.4. Рассмотрим в случае простой кубической решетки плоскость типа {100}. Если на кристалл воздействовать силой (см. рис. 18.4, а), то плоскость А1 в месте, отмеченном стрелочкой, может " разорваться" по линии В, после чего нижняя и верхняя половинки плоскости А1 соединятся со сдвигом на 1 период решетки (см. рис. 18.4, б). Если продолжать воздействие на кристалл, то следующая плоскость разорвется, после чего нижняя и верхняя половинки плоскости А2 соединятся со сдвигом (см. рис. 18.4, в), и так далее. Таким образом в кристалле появится винтовая дислокация, которая при воздействии на кристалл будет перемещаться вдоль плоскости скольжения за счет разрыва-соединения соседних половинок плоскостей. Заметим, что разрыв новой плоскости происходит как раз на линии дислокации, поскольку именно на ней искажения кристаллической решетки наибольшие (см. рис. 18.4).

Рис. 18.4. Схема зарождения и перемещения винтовой дислокации

при сдвиговой деформации кристалла

Вектор Бюргерса. Винтовую дислокацию можно получить с помощью следующей модельной операции над кристаллом (см. рис. 18.5, а). На кристалле по плоскости (100) сделаем мысленный разрез по полуплоскости , проходящей между узлами кристаллической решетки. Затем атомы, находящиеся справа от нее сместим вниз на одно межплоскостное расстояние и снова соединим атомы связями, проходящими через . Вектор смещения " левой" части кристалла относительно " правой" является вектором Бюргерса b винтовой дислокации . Видно, что вектор Бюргерса винтовой дислокации параллелен этой дислокации.

Рис. 18.5 Схема смещения атомов кристалла в случае винтовой и краевой дислокации. - вектор Бюргерса

Аналогичным способом можно получить и краевую дислокацию (правда, отвечающую другой плоскости скольжения). Для этого " правую" часть кристалла надо сместить вдоль поверхности " от нас" и срастить связи между всеми атомами, кроме расположенных вдоль линии дислокации (см. рис. 18.5, а). Вектор смещения этой части кристалла является вектором Бюргерса краевой дислокации. Видно, что вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен этой дислокации.

Можно получить и краевую дислокацию, отвечающую плоскости скольжения (010). Для этого правую половину кристалла надо сместить перпендикулярно поверхности " направо" на один период и заполнить промежуток атомами, тогда получается краевая дислокация (см. рис. 18.5). Вектор смещения этой части кристалла является вектором Бюргерса краевой дислокации.

Дислокации смешанного типа. На рис. 18.6 приведен пример криволинейной дислокации смешанного типа, соединяющей точки А и В. Видно, что в точке А расположение атомов отвечает краевой, а в точке В - винтовой дислокации. Такая дислокация может быть получена сдвиговой неоднородной деформацией под действием силы в направлении (см. рис. 18.6), в результате которой только часть атомных связей в местах, отмеченных на рис. 18.6 штриховкой, разорвутся и соединятся со смещением на вектор . При продолжении воздействия дислокация А-В будет перемещаться, а заштрихованная площадь расширяться. Именно такие сложные дислокации смешанного типа обычно встречаются в кристаллах.

Рис. 18.6. Криволинейная дислокация смешанного типа

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 1011