2.5 Движение дислокаций
Представим себе кристалл в виде параллелепипеда, верхняя часть которого сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировано положение, когда сдвиг охватил не всю поверхность скольжения от правой грани до левой, а лишь часть этой плоскости (рис. 2.12).
Рисунок 2.12
АВСD — участок плоскости скольжения, в котором произошел сдвиг, АВ — граница этого участка. На поперечном разрезе параллелепипеда видно, что в результате сдвига под плоскостью сдвига содержится n вертикальных атомных плоскостей (8), а над плоскостью сдвига — n+1 вертикальных атомных плоскостей (9). Лишнюю неполную атомную плоскость называют экстраплоскостью. Она действует как клин, изгибая решетку вокруг своего нижнего края.
Искажение решетки является не точечным, а линейным, оно распространено вдоль всей линии АВ. Такие линейные несовершенства решетки, как уже отмечалось, называются дислокациями. Над дислокацией атомы в кристалле уплотнены, а под ней — раздвинуты. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше соседей, чем другие атомы.
Сдвиг происходит последовательно от атома к атому, и в этом случае усилие сдвига должно быть меньше, чем при одновременном сдвиге всех атомов. Для понимания этого процесса рассмотрим модель движения гусеницы (рис. 2.13) и модель перемещения ковра (рис. 2.14).
Рисунок 2.13
Рисунок 2.14
Гусеница перемещается не путем подъема всех лапок одновременно и перескока на шаг, а путем последовательного подъема одной пары лапок и перестановки их в новое место. Когда все лапки последовательно выполнят эту операцию, гусеница переместится на шаг, и такой режим движения требует от нее меньших усилий. Точно так же происходит перемещение ковра по полу в случае прокатывания на нем складки. Это требует значительно меньших усилий, чем если бы мы тащили ковер целиком.
Возвращаясь к дислокации, можно представить, что экстраплоскость перемещается по плоскости скольжения от одного края кристалла к другому, и, когда она выйдет на его свободную поверхность, верхняя часть кристалла сместится относительно нижней на одно межатомное расстояние «в», (рис. 2.15).
Рисунок 2.15
Рассмотрим механизм перемещения дислокации на атомном уровне (рис. 2.16).
Рисунок 2.16
Как известно, силы взаимодействия атомов зависят от расстояния между ними. В зоне дислокации расстояния атомов 3 и 4 от краевого атома 1 экстраплоскости 1 - 11 увеличены, и связи между этими атомами утрачены. Под действием сдвигающей силы Р смещение плоскостей приводит к уменьшению расстояния 1 - 4 и увеличению расстояния 2 - 4, в результате чего связь между атомами 1 и 4 восстанавливается, а между атомами 2 и 4 обрывается. Дислокация перемещается на одно межатомное расстояние.
В полной аналогии с моделью движения гусеницы общее перемещение атомной плоскости происходит путем последовательного перемещения дислокации — аналога лапки гусеницы. Движение дислокации — это процесс последовательного разрыва и восстановления связей кристаллической решетки. Пробег дислокации от одной границы кристалла до другой есть элементарный акт деформации кристалла на одно межатомное расстояние. Из совокупности пробегов дислокаций складывается общая деформация кристаллического тела.