Тема 4.2. Основные типы дислокаций и их движение

Дислокации – важнейшая разновидность линейных дефектов кристаллов и вообще всех дефектов кристаллического строения. Теория дислокаций развивается, проникает во все разделы материаловедения и без знакомства с ней невозможно понимание современной материаловедческой литературы.

Различают краевые, винтовые и смешанные дислокации.

Краевые дислокации. Наиболее простой способ введения дислокации в кристалл – незавершенный сдвиг по одной из кристаллографических плоскостей (рис. 4.1). При этом одна вертикальная атомная плоскость не имеет продолжения в нижней половине кристалла. Такую лишнюю полуплоскость называют экстраплоскостью.

Экстраплоскость действует как клин, создавая сильные искажения кристаллической решетки вокруг своего нижнего края: выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края – больше нормальных; атомы на самой кромке экстраплоскости имеют меньше соседей, чем атомы в бездефектной части кристаллической решетки.

Область несовершенства кристаллической решетки вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией. В плоскости, перпендикулярной краю экстраплоскости, эта область невелика, тогда как длина дислокации такая же, как и длина края экстраплоскости, т.е. имеет макроскопические размеры.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, краевую дислокацию считают положительной, а если в нижней части кристалла – то отрицательной. Искаженная область, осью которой является край экстраплоскости, называется ядром дислокации. Положения центра ядра положительной и отрицательной краевых дислокаций обозначаются условными символами _┴ и _┬ соответственно. У краевой дислокации вектор сдвига перпендикулярен линии дислокации. Таким образом, линейная дислокация – это дефект, образующий внутри кристалла границу зоны незавершенного сдвига (рис. 4.1).

Скольжение краевых дислокаций. Под действием касательных напряжений дислокация перемещается в плоскости сдвига (рис. 4.2) и такое движение дислокации называют скольжением.

Рис. 4.2. Скольжение краевой дислокации в кристалле

Конечный результат скольжения дислокации через весь кристалл – ступенька, равная одному межатомному расстоянию, однако при скольжении дислокации сдвиг распространялся постепенно и необходимое усилие в каждый момент времени значительно меньше, чем при одновременном сдвиге соседних атомных плоскостей.

Дислокации разных знаков под действием одного и того же касательного напряжения движутся в противоположных направлениях.

Скольжение дислокации не связано с диффузионной подвижностью атомов и поэтому может происходить при любых температурах. Краевая дислокация всегда скользит по плоскости, проходящей через линию дислокации и вектор сдвига (рис. 4.2).

Скорость движения дислокаций зависит от уровня приложенных касательных напряжений, и при низких напряжениях может быть менее 10^9 мсек.

Переползание краевых дислокаций. Перемещение краевой дислокации по нормали к плоскости скольжения называется переползанием. Для такого перемещения необходимо, чтобы цепочка атомов на самой кромке экстраплоскости отделилась от нее и ушла вглубь кристалла. Переползание дислокаций осуществляется только диффузионным путем. Поскольку диффузия является термически активируемым процессом, переползание получает значительное развитие только при высоких температурах.

Скорость переползания дислокаций зависит от температуры еще и потому, что с повышением температуры резко возрастает концентрация точечных дефектов, направленное перемещение которых обеспечивает переползание.

Переползание дислокаций вызывает деформацию кристаллов, что имеет место, например, при высокотемпературной ползучести.

Одновременное присоединение цепочки атомов или цепочки вакансий вдоль всей кромки экстраплоскости практически невозможно, и фактически в данный момент времени к кромке экстраплоскости присоединяются, например, только несколько вакансий или только несколько межузельных атомов. В результате на дислокации образуются ступеньки, называемые порогами.

Переползание дислокаций состоит в зарождении порогов и их продвижении вдоль линии дислокации.

Винтовые дислокации. Если под действием касательных напряжений τ сдвиг распространился не вдоль всей ширины кристалла, а только ее части, но вдоль всей длины кристалла, то образуется не краевая, а винтовая дислокация (рис. 4.3).

Поскольку правая часть верхней атомной плоскости кристалла смещена вниз на одно межатомное расстояние, эта плоскость оказывается изогнутой и в плоскости сдвига сливается со второй плоскостью несдвинутой части кристалла; следующая атомная плоскость кристалла также изогнута и аналогично сливается с третьей плоскостью несдвинутой части и т.д.

Если до сдвига кристалл состоял из параллельных атомных плоскостей, то после несквозного сдвига он превратился в одну атомную плоскость, образующую винтовую (геликоидальную) поверхность.

Границей зоны полного сдвига, т.е. дислокацией, является область возле линии ВС, где черные и белые атомы образуют винтовую линию. Правее и левее этой границы положения атомов вверху и внизу совпадают. Возле линии дислокации ВС атомы образуют винтовую линию.

Рис. 4.3. Сдвиг, создавший винтовую дислокацию

Линия винтовой дислокации параллельна вектору сдвига. Винтовая дислокация (как и резьба винта) может быть правой и левой. Винтовая дислокация считается правой, если при движении вдоль направления сдвига винтовую поверхность надо обходить по часовой стрелке, и левой – при обходе этой поверхности в противоположном направлении.

Скольжение винтовых дислокаций. При перемещении винтовой дислокации на одно межатомное расстояние вправо атомы смещаются только внутри области искажений, и эти смещения атомов значительно меньше межатомных расстояний. При этом атомы смещаются вверх или вниз вдоль направления действия напряжений, а сама дислокация перемещается перпендикулярно этому направлению. В этом состоит еще одно отличие винтовой дислокации от дислокации краевой.

Конечный результат пробега винтовой дислокации через весь кристалл такой же, как и при пробеге краевой дислокации – сдвиг на одно межатомное расстояние (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема сдвига правой части кристалла относительно левой

при пробеге винтовой дислокации через весь кристалл

Винтовая дислокация может переходить из своей плоскости скольжения в любую другую кристаллографическую плоскость, содержащую линию дислокации и вектор сдвига и расположенную под углом к первоначальной плоскости скольжения. Такой переход винтовой дислокации называется поперечным скольжением и может иметь место, например, если дислокация встречает на своем пути какое–либо препятствие.

П ройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения R (рис. 4.5), дислокация может перейти в плоскость S, параллельную первоначальной плоскости скольжения Р.

Рис. 4.5. Двойное поперечное скольжение винтовой дислокации ВС

Такой процесс перемещения винтовой дислокации называют двойным поперечным скольжением, а многократное повторение подобных переходов - множественным поперечным скольжением.

В отличие от краевой дислокации, винтовая дислокация не может перемещаться диффузионным путем; ее переход в другую кристаллографическую плоскость осуществляется обычным скольжением.

Смешанные дислокации и их движение. В общем случае линия смешанной дислокации в плоскости скольжения является криволинейной. Отдельные участки этой кривой имеют чисто краевую или чисто винтовую ориентацию (т.е. вектор сдвига или перпендикулярен, или параллелен линии дислокации), но большая часть линии дислокации не параллельна и не перпендикулярна вектору сдвига. Такая дислокация, имеющая смешанную ориентацию, называется смешанной дислокацией (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Сдвиг, создавший смешанную дислокацию АС

Дислокационная петля из–за наличия участков с чисто винтовой ориентацией может совершать поперечное и множественное поперечное скольжение, вследствие чего петля смешанной дислокации перестает быть плоской.